Реферат: Концепции современного естествознания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ставропольскийгосударственный университет

Концепции современного естествознания

 

Справочник для студентов

Ставрополь

2005

Рецензент: канд. филос. наук, доцент Адрианова Л.А.

Андрейченко Г.В., Павлова И.Н.

Концепции современного естествознания. Справочник для студентов. – Ставрополь:СГУ, 2005. – 187с.

Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным стандартомвысшего профессионального образования второго поколения и рекомендовано студентамгуманитарных специальностей высших учебных заведений всех форм обучения.Содержит информацию по всем экзаменационным вопросам и предназначено для подготовкистудентов к семинарским занятиям, экзаменам и зачетам. Может быть использованотакже при выполнении контрольных работ по дисциплине «Концепции современногоестествознания».

Пособие является важной составной частью учебно-методического комплексапо дисциплине «Концепции современного естествознания».

© Г.В. Андрейченко, И.Н. Павлова

Содержание

Введение

1.Естественнонаучная и гуманитарная культуры

2. Предмет иметод естествознания

3. Динамикаестествознания и тенденции его развития

4. Историяестествознания

5.Структурные уровни организации материи

6. Макромир:вещество и поле

7. Открытыесистемы и неклассическая термодинамика

8. Микромир.Квантовая физика

9. Мегамир.Современные астрофизические и космологические концепции

10.Пространство и время в современной научной картине мира

11. Основныеконцепции химии. Химические системы и процессы

12. Проблемыи перспективы современной геологии

13.Особенности биологического уровня организации материи

14. Генетикаи эволюция

15. Человеккак предмет естествознания

16. Эмоции итворчество. Жизнь как ценность

17. Человек ибиосфера

18. Принципглобального эволюционизма и его роль в современной науке

Введение

Дисциплина «Концепции современного естествознания» включена в циклматематических и естественнонаучных дисциплин гуманитарных и экономическихфакультетов с целью ознакомления студентов с дополнительным для нихнеотъемлемым компонентом единой культуры — естествознанием и формированиемцелостного взгляда на окружающий мир. Возникающая сегодня тенденция кгармоничному синтезу двух традиционно противостоящих культур созвучнапотребности общества в целостной картине мира и подчеркивает актуальностьпредлагаемой дисциплины. Данная учебная дисциплина не представляет собоймеханическое соединение традиционных курсов физики, химия, биологии и экологии,а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексногоисторико-философского, культурологического и эволюционно-синергетическогоподходов к современному естествознанию. Поэтому ее эффективное освоениевозможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно- научную и гуманитарную компоненты культуры.

Цели и задачи курса:

— понимание природы отчуждения гуманитарного и естественно — научногокомпонентов культуры и необходимость их воссоединения на основе целостноговзгляда на мир;

— понимание задач и возможностей современного научного метода;

— изучение и понимание сущности наиболее фундаментальных законов природы,составляющих каркас современной физики, химии и биологии;

— формирование ясного представления о естественнонаучной картине мира какоснове понимания целостности и многообразия природы;

— формирование представлений о революциях в естествознании и смененаучных парадигм как ключевых этапах развития естествознания;

— формирование представления о принципах универсального эволюционизма исинергетики как диалектических принципах развития в приложении к неживой иживой природе, человеку и обществу.

Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

 

1.Культура и наука. Критерии науки и ее социальные функции

Наука представляет собой важнейшую сферу человеческой культуры. Успехи идостижения науки коренным образом изменили жизнь общества, его экономику,политику, быт, а также самого человека, его образ мысли и действия.

Культура – специфический способ организации человеческойжизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда,в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупностиотношений людей к природе, между собой и к самим себе.

Необходимым элементом человеческой деятельности является знание. Наука –это специфическая форма производства знаний. Однако не всякое знание являетсянаучным. Познание как духовное освоение мира осуществляется в разнообразныхформах: искусство, наука, религия, философия, жизненный опыт и др. Искусствовоспроизводит мир посредством художественных образов, создает художественныеценности и выражает эстетическое отношение человека к миру. Религия создает миртрансцендентного знания, опирается на мистический опыт людей, в которомпроисходит их – общение с Богом. Философия формирует знания о бытии, о местечеловека в мире и его собственном духовном мире. Наука же является той частьюкультуры, которая осваивает действительность и создает свой особый мир – мирзнаний, состоящих из экспериментально подтвержденных данных и выводов, полученныхлогическим путем.

Наука – сфера человеческой деятельности, главной функцией которойявляется выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире.Критерии науки:

рациональность, т.е. обоснованность и логическая доказательность знания,его теоретический характер;

системность знания; система характеризуется внутренним единствомсоставляющих ее элементов. Поэтому научное знание это система, включающая всебя принципы, законы, фундаментальные понятия, из которых выводятся новыезнания, а также факты, математический и логический аппарат, практические выводыи рекомендации;

общезначимость, т.е. интерсубъективность знания, его проверяемость ивозможность получения одинаковых результатов разными исследователями;

наличие двух уровней – эмпирического и теоретического, различающихсязадачами исследования, спецификой методов и форм познания.

Важнейшим признаком науки является также то, что это – специфическаяформа деятельности и социальный институт, т.е. способ социальной организациипознавательной деятельности людей. Современная наука представлена сегоднякрупными научными институтами с мощной лабораторной базой, новейшимитехнологиями обработки, передачи и распространения информации.

По предмету изучения в структуре науки выделяют такие направления научногознания, как: естествознание (науки о природе); социогуманитарное знание,включающее в себя знания о различных видах и формах общественной жизни, а такжезнания о человеке и его духовном мире; в отдельную группу выделяют науку осамой науке (науковедение). Это молодая, быстро развивающаяся научная дисциплина.

Специфика науки проявляется также в тех социальных функциях, которые онавыполняет. Функции науки: описательная – выявление важнейших свойств иотношений исследуемых объектов; систематизирующая – внесение определенногопорядка в организацию знания; объяснительная – выявление сущности изучаемогообъекта, причин и закономерностей его возникновения и развития; прогностическая– предсказание новых фактов и рекомендации на будущее; практическая – применениеполученных знаний в производстве, в социальной жизни и управлении; мировоззренческая– создание научной картины мира, которая является основой рационализированногомировоззрения.

Наука – это динамичный, поступательный процесс, имеющий определенные закономерности:ускорение роста научных знаний (экспоненциальный закон развития науки): объемнаучных знаний удваивается каждые 10-15 лет; кумулятивный характер развития –суммируются в концентрированном виде все прошлые достижения науки путемпереосмысления и уточнения; преемственность в развитии знаний; единствоэкстенсивного и интенсивного периодов развития; дифференциация и интеграциянаук; превращение науки в непосредственную производительную силу.

2. Мирприроды и мир человека: способы познания

Различие естествознания и социогуманитарного познания обусловлено,во-первых, спецификой объекта исследования.

Мир природы представляет собой действие слепых, стихийных и не зависимыхот человека сил, процессов, поэтому в определенном смысле их исследовать проще.Познание этих процессов по своему содержанию носит объективный характер, дляэтого формируются методы объективного исследования предмета.

Мир человека предстает как сознательная, активная деятельность человека,преследующего свои цели и интересы. В процессе познания этих явлений сложноотделить объективное от субъективного, действительность от иллюзий. Поэтомулюбые попытки перенесения естественнонаучных методов на исследование социальныхпроцессов оказываются безрезультатными.

Во-вторых, наиболее отчетливо различие выражается в подходе к основнойзадаче науки.

В познании мира природы главной задачей является объяснение. Объяснение –это подведение факта под некоторый закон, теорию. Логической формой объясненияявляется дедуктивное рассуждение, в котором факт, то есть высказываниеединичного или частного порядка, выводится из общего суждения, которое ивыражает определенный закон. Самой популярной в научном мире считается теориядедуктивно — номологического объяснения Гемпеля – Оппенгейма. Некоторое явлениесчитается объясненным, если описывающее его суждение логически выводится иззаконов или законообразных высказываний. Наряду с дедуктивно-номологическимшироко используются структурные, то есть представляющие собой характеристикисложных объектов на основе знания их строения, и генетические объяснения, тоесть описание событий и явлений в их исторической последовательности.

Наиболее развитая форма научного объяснения – объяснение на основетеоретических законов. Так, чтобы объяснить, почему тело за первую секундусвоего падения проходит путь в 4,9 м, мы ссылаемся на закон Галилея, который всамой общей форме описывает поведение разнообразных тел, движущихся под воздействиемсилы тяжести. Если требуется объяснить сам этот закон, мы обращаемся к болееобщей теории гравитации Ньютона. Получив из нее закон Галилея в качествелогического следствия, мы тем самым объясняем его. Глубина объясненияопределяется глубиной той теории, к которой относится закон. Уровни объяснениямогут быть различными, но они всегда представляют собой дедуктивную процедуру.Исторически первыми были каузальные (причинные) объяснения – объяснения наоснове простых эмпирических законов, фиксирующих такие устойчивые,повторяющиеся связи между двумя явлениями, при которых одно порождает, вызываетдругое.

В социальных науках трудно или невозможно подвести индивидуальное,неповторимое событие под какой–либо общий закон, поэтому сформировались дветочки зрения: первая – против использования естественнонаучных методов, заменивих телеологическим объяснением, т.е. раскрытием целей, мотивов поведения идеятельности людей; вторая – можно объяснить с помощью законов, но толькосоздав собственную методологию.

В познании мира человека, по мнению многих исследователей, методыобъяснения вообще не применимы, т.к. специфика объекта обусловливаетиндивидуальность и уникальность познаваемых явлений. Поэтому не объяснение, апонимание является основным методом социогуманитарного познания.

Понимание – это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта,т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла с целью егодуховного освоения и приведения в систему с другими фактами.

Такая методология гуманитарного познания получила название герменевтики.Исторически герменевтика возникла из опыта работы над текстами на древнихязыках, плохо сохранившихся, трудно поддававшихся переводу, когда былонеобходимо прежде всего раскрыть смысл, который вложил их автор. Однако затемстало ясно, что герменевтика имеет отношение не только к текстам, но и кпониманию поступков, переживаний и действий человека. Понимание частоопределяют как оценку на основе некоторого образца или нормы. Понимать можновсе, для чего существует такой образец. Истолкование, предшествующее пониманиюи делающее его возможным, представляет собой процесс поиска стандарта оценки иобоснование ее приложимости к рассматриваемому случаю. Поэтому истолкованиевсегда связано с определенными социокультурными предпосылками: истолковывает ипонимает всегда конкретный человек, разделяющий ценности своей среды и своеговремени.

Понимание всегда имеет диалоговую природу, которая изначально отличаетсяот монологичности объяснения и является особым типом смысловых отношений. Понять– значит, увидеть другое, чужое сознание и его мир. При объяснении имеется толькоодин субъект, одно сознание, потому что к объекту не может быть диалогическогоотношения; при понимании – два сознания, два субъекта, поэтому понимание всегдадиалогично. «Исследование становится спрашиванием и беседой, то есть диалогом.Природу мы не спрашиваем, и она нам не отвечает. Мы ставим вопросы себе иопределенным образом организуем наблюдение или эксперимент, чтобы получитьответ. Изучая человека, мы повсюду ищем и находим знаки и стараемся понять ихзначение» (Бахтин М.М.).

На всем протяжении ХХ века наблюдается противостояние двух сфер познания– естественно-научной и гуманитарной. Эту ситуацию четко зафиксировал известныйанглийский писатель и ученый Чарльз Сноу, выступивший в 1959 г. в Кембриджскомуниверситете с программной лекцией «Две культуры и научная революция». Он показал,как возникла и углубляется пропасть между двумя культурами. Поляризацию научнойкультуры он связал с двумя традициями, сложившимися в процессе познания иосмысления мира. Первая – культура, создаваемая естествознанием, которая посложности, емкости интеллектуальной глубине является удивительным творениемколлективных усилий человеческого разума. Представители другого полюса –социогуманитарной культуры не имеют, как правило, ни малейшего представления обэтом творении. И наоборот.

Научная культура понимается как способ организации познавательнойдеятельности, обусловленный спецификой познаваемого объекта, включающий в себямировоззренческие и методологические принципы, идеалы и установки, разделяемыенаучным сообществом. Характер научной культуры во многом определяет и способыорганизации науки и научной деятельности вообще, и формы взаимосвязи науки иобщества, значительно влияя на этику науки и решение проблемы социальной, и,прежде всего, нравственной ответственности ученого, а также на отношение наукии идеологии, науки и политики. Поэтому поляризация культур наносит ущерб всему:науке, искусству, обществу, человеку.

К концу ХХ столетия появились серьезные предпосылки для преодоления этогопротивостояния: 1) обмен опытом там, где это возможно; например, статистическиеметоды, имеющие, как известно, важнейшее значение в современной физике, зародилисьв трудах социологов-экономистов У. Петти и Дж. Граунта; 2) междисциплинарныйподход становится все более значимым для нынешнего развития социального знания.Идет процесс формирования единой науки о человеке, обществе, природе и жизни;3) дифференциация (дробление) наук ведет к тому, что сейчас насчитывается около2 тыс. научных дисциплин и формирование все новых отраслей науки продолжается;4) интеграция наук – активное взаимодействие различных наук. Объединение каких-либонаук в единое целое в различных формах, начиная от применения методов и понятийодной науки в другой и кончая современным системным методом. В этом проявляетсястремление к единству научного знания. Объективную основу интеграции знаниясоставляет единство мира, принципиальная общность свойств и законов структурныхуровней материи. Поэтому, во-первых, сравнительно новые отрасли научного знанияуже по своей природе носят синтетический, интегративный характер: астрофизика,математическая лингвистика, инженерная психология, техническая эстетика,космическая медицина и др. Во-вторых, синтез научного знания может осуществлятьсяна основе междисциплинарного подхода. Примером такого синтеза может служить синергетика(теория самоорганизации сложных систем). Возникнув как физическая теория (втермодинамике), она сейчас используется как новый подход к решениюисторических, социальных проблем. Синергетика может успешно служитьмоделированию многих процессов.

3.Сциентизм и антисциентизм – мировоззренческие позиции ХХ века и их влияние наразвитие культуры

В разные исторические эпохи в качестве основания культуры, ее ведущегодуховного компонента, выступали разные духовные формы: в античности – политикаи мораль; в средневековье – религия; в эпоху Возрождения – искусство; в новоевремя – наука; в новейшее время – наука и искусство.

В Новое время произошла научная революция, породившая новый (современный)тип науки, и провозгласившая его единственно адекватным способом познания(духовного освоения) мира. Научное знание приобретает столь главное значение,что без его развития и распространения в обществе немыслим никакой социальныйпрогресс. Формируется идея о всесилии научного знания. Этому способствовали какдостижения науки, так и философские взгляды французских просветителей XVIII века (Вольтера, Дидро, Гельвеция,Гольбаха, Д¢Аламбера).

Сциентизм – мировоззренческая позиция, основанная на представлении онауке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.

Идеологическим обоснованием сциентизма является позитивизм французскогофилософа О. Конта (1798-1857), автора знаменитого «Курса позитивной философии».Суть его позиции состоит в следующем:

1. Естественнонаучное познание и его методология – эталон научногопознания, поэтому методы и формы естествознания должны быть распространены и напознание общества. Идеал науки – математическая физика.

2. Наука должна замещать все другие формы знания. Отсюда критикафилософии, сведение ее к научной методологии, попытки создания новой религии (религиинауки) и т.п.

3. Ориентация на эмпирическое (опытное) обоснование полученныхрезультатов. Знание, не основанное на опыте, объявляется ненаучным, спекулятивным.

4. Роль науки и научного прогресса в решении глобальных проблем абсолютнаи исключительна. Наука – высшая ценность и цель общественного развития, потомучто все формы организации человеческой жизнедеятельности должны быть построеныпо последнему слову науки. Вера во всесилие науки часто ведет к утопическимпроектам «улучшения» природы, общества и человека, практическое внедрениекоторых чревато катастрофическими последствиями.

Особую убедительность сциентизму придают грандиозные успехи науки, НТП.Мировоззрение сциентизма является основанием технократических концепций,согласно которым власть политическая и административная в обществе должна бытьотдана представителям естественных и технических наук. Сциентизм подвергается остройкритике со стороны так называемой «гуманитарной культуры», философскимоснованием которой выступает философия ХХ века: герменевтика, «философияжизни», экзистенциализм и др.

Современная гуманитарная культура имеет своим началом творчествогуманистов эпохи Возрождения. Революция в мировоззрении этой эпохи, связанная сизменением статуса человека в мире, вела к признанию человека высшей ценностью.В формировании гуманистической культуры важную роль сыграло движение романтизма(конец XVIII – сер. XIX вв.). Романтизм способствовал восстановлениюавторитета искусства как средства постижения мира и самовыражения личности. Онсформулировал идею о восстановлении единства науки, философии, религии иискусства, которое было утрачено с заменой мифологического мышления рациональным.

Антисциентизм отрицает роль и доказывает недостаточность рационального, вособенности, естественнонаучного познания, которое, в свою очередь, сведено кфизике и математике. Антисциентизм – мировоззренческая позиция, согласнокоторой идеалом являются гуманитарные ценности, этические и эстетические,прежде всего. В своих крайних формах антисциентизм толкует науку как силу,чуждую и враждебную подлинной сущности человека.

Противоположность сциентизма и антисциентизма, прежде всего, выражается вприсущих им системах ценностей:

сциентизм отдает приоритет расчету, плану, проектируемому результату,поэтому главные ценности человеческого существования – максимальная польза,выгода, эффективность и целесообразность; максимум прибыли при минимуме затрат;

антисциентизм исходит из признания уникальности личности, поэтомуприоритетными являются вопросы о смысле человеческой жизни, а главные ценностичеловеческого существования – красота, добро, любовь, справедливость.

4. Этиканауки

Наука как область человеческой деятельности погружена в ценностноеизмерение: для ученого высшей ценностью является истина и все, что к ней ведет,различного рода эмпирические и теоретические методы. В сообществе ученых высокоценятся также честность, порядочность, мужество в отстаивании своих взглядов,критическое отношение к догмам и всяким авторитетам, суевериям. В то же время всамой науке, в ее методологическом арсенале, нет никаких нравственных норм,регламентирующих научные исследования в плане социальных последствий,позволяющих соизмерять научные достижения с состоянием общества. Многие ученыеосознают свою ответственность за возможное использование их научных открытий,понимают недопустимость вооружения злодеев средствами массового уничтожения,манипулирования сознанием людей, бесконтрольного вмешательства в их дела. Ксожалению, имеется немало печальных примеров подобного: ядерное, биологическое,химическое оружие, эксперименты с генами животных и людей, тотальныйкомпьютерный контроль в обществе и др.

В последние годы все большее число ученых склоняется к мнению о том, чтонеправильно считать науку лишь средством добывания истины. Настойчиво подчеркивалиэту мысль Н. Бор и В. Гейзенберг. Ученые берут на себя ответственность, если неполностью, то, по крайней мере, в существенной степени, за свои творения. Онистановятся этиками, потому что ответственность – это этическая категория.Прежде чем создать что-либо, могущее угрожать человеку, следует продумать всевозможные варианты. А, приняв решение, не следует уходить от ответственности.Современный ученый должен понять, что истина – это добро и красота.

В этике науки представлены нравственные основы научной деятельности.Основными этическими нормами науки являются, как мы выяснили, бескорыстныйпоиск и утверждение истины, обогащение науки новыми результатами, полезными длячеловечества, свобода научного творчества, социальная ответственность ученого идр. Соблюдение этики науки должно привести к утверждению нравственного идеалагуманизма. Обоснование этого идеала содержится в концепции так называемогоэволюционного гуманизма, одним из основателей которого является Дж. Хаксли –английский философ и зоолог. Суть его теории состоит в следующем:

Человек сам несет ответственность за свое будущее и за будущее планеты,не возлагая ее ни на Бога, ни на судьбу.

Человек является одним видом существующей на Земле жизни. Поэтомучеловечество нельзя превращать в совокупность враждующих «псевдовидов» (наций,религий и государств и их блоков).

Смыслом существования науки является воплощение человеческих надежд, а нематериальное благополучие.

Задача науки повышать «качество» жизни, а не увеличивать количествоматериальных ценностей для отдельных социальных групп.

Для реализации этих идей и принципов необходимо новое мышление, которое ипризвана формировать наука.

Новое понимание природы стимулировало поиск и новых идеалов человеческогоотношения к природе, которые претендуют на то, чтобы стать духовным основаниемдля решения современных глобальных проблем. Активно разрабатываются идеи такназываемой «углубленной экологии», которая порывает с антропоцентризмом ирассматривает человека не как властелина природы и центр мироздания, а каксущество, включенное в многообразие жизни. Человек – неотъемлемая часть живого,соотносящаяся с другими его частями не на основе конкуренции и господства, а наоснове сотрудничества и взаимности (Э.Ласло, Ф.Капра, Б.Калликотт, О.Леопольд идр.).

С этих позиций предлагаются различные варианты новой этики, котораядолжна, наряду с нормами общественного поведения, регулирующими отношения междулюдьми, включать «этику в экологическом смысле» (биосферную этику),ограничивающую свободу действия человека в его борьбе за существование. Новаяэтика, по замыслу ее сторонников (О. Леопольд, Р. Атфилд, Л.Уайт, Э. Ласло, Б.Калликотт и др.), должна регулировать взаимоотношения человека с Землей, сживотными и растениями, формируя убеждение в индивидуальной ответственности заздоровье Земли. Эти этические концепции во многом перекликаются с известнымиидеями А. Швейцера о благоговении перед жизнью. Но в принципе они идут дальше.Как пишет Б. Каликотт, «лично я не особенно восторгаюсь моральной теориейШвейцера — главным образом по той причине, что она ограничивает круг моральнозначимых объектов индивидуальными сущностями, не беря во внимание объектыколлективной природы: популяции, виды, биоценозы и всю глобальную экосистему вцелом».

Основные понятия темы:

Наука – сфера человеческой деятельности, главной функцией которойявляется выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире.

Научная культура – мировоззренческие и методологические принципы, идеалыи установки, разделяемые научным сообществом.

Объяснение – это подведение факта под некоторый закон, теорию.

Понимание – это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта,т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла.

Ценность – то, что имеет особую значимость для человека и общества.

Идеал – представление о должном, совершенном.

Сциентизм – мировоззренческая позиция, основанная на представлении онауке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.

Антисциентизм – мировоззренческая позиция, отрицающая приоритет науки вразвитии общества, и согласно которой идеалом человеческого существованияявляются гуманитарные ценности.

Позитивизм – философское направление, согласно которому все подлинноезнание может быть получено лишь как результат специальных, прежде всего естественныхнаук, и философия, как особая наука, не имеет права на существование.

Этика науки – раздел профессиональной этики, разрабатывающий нравственныепринципы научной деятельности.

Тема 2. Предмет и метод естествознания

 

1. Предметестествознания. Эволюция понятия природы

Предметом естествознания является природа. Природа – это весь материально-энергетическийи информационный мир Вселенной. Истоки современного понимания природы уходят вглубокую древность. Первые истолкования природы сложились как миф овозникновении (рождении) мира и его развитии, т.е. космогония. Внутренний смыслэтих сказаний выражает переход от неорганизованного хаоса к упорядоченномукосмосу. Мир в космогониях рождается из природных стихий: огня, воды, земли,воздуха; к ним иногда добавляется пятая стихия – эфир. Все это первичныйматериал для строительства космоса. Стихии соединяются и разъединяются.

Образ природы рождается и в мифах, и в различных космогониях, и втеогониях (буквально: «рождение богов»). В мифе всегда отражена определеннаяреальность, в нем образно, в виде фантастических рассказов выражено стремление кпознанию явлений природы, общественных отношений и человеческой натуры.

Позже возникла натурфилософия (философия природы), которая, несмотря насходство космогонических образов, принципиально отличалась от мифологии.

В мифологии наглядно, в символической форме природа изображается какнекое пространство, внутри которого разворачивается деятельность божественных икосмических сил. Натурфилософия пыталась выразить общий взгляд на природу вцелом и подкрепить его доказательствами.

В античной философии природа стала объектом теоретического размышления.Натурфилософия пыталась выработать единый, внутренне непротиворечивый взгляд наприроду. Постигая феномен природы, натурфилософия пытается понять ее изнутри,из нее самой, т.е. выявить такие законы существования природы, которые независят от человека. Другими словами, постепенно формировался такой образприроды, который по возможности очищался от чисто человеческих представлений,которые зачастую уподобляли природу самому человеку, и потому могли исказитьподлинную, самостоятельную жизнь природы. Таким образом, задача заключалась впознании того, какова природа сама по себе, без человека.

Уже первые философы рассматривали такие важные проблемы, которыепослужили основой для дальнейшего развития научного познания. К ним относятсятакие как: материя и ее структура; атомистика – учение о том, что мир состоитиз атомов, мельчайших неделимых частиц вещества (Левкипп, Демокрит); гармония(математическая) Вселенной; соотношения вещества и силы; соотношениеорганического и неорганического.

У Аристотеля, величайшего философа Древней Греции (IV в. до н. э.), осмыс­ление природыполучило уже статус целостного учения. Он отождеств­лял натурфилософию сфизикой, изучал вопросы о составе физических тел, видах движения, причинности идр. Аристотель определял природу как жи­вой организм, движимый самоцелью ипроизводящий все многообразие входя­щих в нее объектов, потому что у него естьдуша, внутренняя сила – энтеле­хия. Движение Аристотель не сводил только кперемещению в простран­стве, а рассматривал и такие формы, как возникновение иуничтожение, качественные изменения.

В эпоху эллинизма натурфилософия стала опираться не только на философскиерассуждения, но и на обширные наблюдения в астрономии, биологии, географии,физике. В эту эпоху появляется сам термин «натурфилософия», который ввелримский философ Сенека. Поскольку в античной философии считалось, что философиядолжна возвышаться над повседневностью, обыденностью, постольку это обрекалонатурфилософию на умозрительность, в ней стали господствовать придуманные схемыи теории.

В средневековой культуре считалось, что природа говорит с людьми насимволическом языке божественной воли, так как природа и человек – это творениеБога. Но в последовавшую за средневековьем эпоху возрождения этот взглядсущественно изменился. Натурфилософия разошлась по двум направлениям: 1 –мистика продолжала традицию умозрительных концепций природы; 2 – «магия», изкоторой постепенно и сформировалась опытная наука – естествознание. Переходу отрелигиозной картины мира к естественнонаучной способствовало возникновениеособого взгляда на мир, получившего название «пантеизма» («всебожие»). Пантеизм– учение о том, что все есть бог; отождествление бога и вселенной. Это учениеобожествляет вселенную, создает культ природы, признает бесконечность вселеннойи неисчислимое множество ее миров.

 Особую роль в создании способов научного, экспериментального изученияприроды сыграл Г. Галилей, утверждавший, что книга природы написанатреугольниками, квадратами, кругами и т.п.

С формированием науки и методов естествознания, в 17-18 вв.натурфилософия существенно изменилась. И. Ньютон, создатель механической картинымира, понимал под натурфилософией теоретическое, математически выстроенное учениео природе, «точную науку о природе». В этой картине мира природаотождествлялась с часовым механизмом.

Отказ от божественного и поэтического понимания природы вел к изменениюотношения к природе. Она становится объектом активной эксплуатации – интеллектуальнойи промышленной. Природа – это мастерская. Фр. Бэкон называет ученогоестествоиспытателем, который экспериментом вырывает у природы ее тайны.Важнейшая задача науки – в покорении природы и увеличении могущества человека:«Знание – сила!»

Таким образом, природа выступает как обобщенное понятие, поройотождествляется с беспредельным космосом. В то же время процесс развитияестествознания и связанная с этим процессом специализация в науке привела ктому, что природа перестала существовать как целое для специалистов, онаоказалась раздробленной. Покорение природы, создание машинной культурыразрушает целостность самой природы, а также внутренние связи человека сприродой, что и приводит его к экологической катастрофе. Необходимость такойорганизации взаимодействия общества и природы, которая отвечала бы потребностямбудущих поколений и решала бы проблему выживания человечества, предполагает нетолько формирование так называемой экологической этики, но и переосмыслениесамого понятия «природа», в которую должен быть «вписан» человек. Имеютсянеоспоримые доводы, определяющие «человеческое лицо» природы:

-природа такова, что обладает возможностью и необходимостью порождениячеловека. Все физические константы, характеризующие фундаментальные структуры мира,таковы, что только при них мог бы существовать человек. В отсутствие человеканекому было бы познавать природу.

-человек рождается «из природы». Вспомним развитие человеческогоэмбриона.

-природная основа человека есть тот фундамент, на котором только ивозможно появление специфически человеческого бытия, сознания, деятельности,культуры.

Таким образом, современное понимание природы как предмета естествознанияпредполагает выработку новых способов ее исследования, формированиеинтеграционных подходов и междисциплинарных связей. Поэтому принципиально новыеидеи современной научной картины мира уже не вписываются в традиционное длятехногенного подхода понимание природы как «мертвого механизма», с которымможно экспериментировать и который можно осваивать по частям, преобразуя иподчиняя его человеку.

Природа начинает пониматься как целостный живой организм. Почти досередины ХХ века такое понимание природы воспринималось как своеобразныйпережиток или возврат к мифологическому сознанию. Однако по мере того, какутверждались в науке и широко распространялись идеи В.И.Вернадского о биосфере,после развития современной экологии, новое понимание природы как организма, ане механической системы, стало научным принципом. Новое понимание природыстимулировало поиск новых идеалов отношения человека к природе, которые сталибы основанием для решения современных глобальных проблем.

2. Научныйметод. Классификация методов естественнонаучного познания

Для научного познания большое значение имеет метод, т.е. способорганизации изучения объекта. Метод – совокупность принципов, правил и приемовпрактической и теоретической деятельности. Метод вооружает человека системойпринципов, требований, правил, руководствуясь которыми человек может достичьнамеченной цели.

Правильный метод имеет огромное значение для познания природы. Учение ометоде (методология) начинает развиваться в науке нового времени. Знаменитыйанглийский философ Фрэнсис Бэкон сравнивал метод с фонарем, который освещаетпутнику дорогу. Ученый, не вооруженный правильным методом, — это путник, бредущийв темноте и ощупью отыскивающий себе дорогу. Рене Декарт, великий французскийфилософ XVII века, тоже придавал большое значениеразработке научного метода: «Под методом я разумею точные и простые правила,строгое соблюдение которых без лишней траты умственных сил, но постепенно инепрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинногознания всего, что ему доступно». Именно в этот период бурного развитияестествознания складываются две противоположные методологические концепции: эмпиризми рационализм.

Эмпиризм – направление в методологии, признающее опыт источникомдостоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.

Рационализм – направление в методологии, согласно которому достоверноезнание дает только разум, логическое мышление.

Методы научного познания можно классифицировать по степени общности науниверсальные (философские) и научные, которые в свою очередь, делятся наобщенаучные и частнонаучные.

Частнонаучные методы применяются в рамках одной науки или областинаучного исследования, например: метод спектрального анализа, метод цветныхреакций в химии, методы электромагнетизма в физике и др.

Общенаучные методы имеют широкий междисциплинарный спектр применения имогут применяться в любой науке, например: моделирование, эксперимент,логические методы и др.

Одной из важнейших особенностей научного познания является наличие двухуровней: эмпирического и теоретического, которые отличаются используемымиметодами. На эмпирической (опытной) стадии используются главным образом методы,связанные с чувственно-наглядными приемами познания, к которым относятнаблюдение, измерение, эксперимент.

Наблюдение является первоначальным источником информации и связано сописанием объекта познания. Целенаправленность, планомерность, активность –характерные требования для научного наблюдения. По способу проведениянаблюдения бывают непосредственными и опосредованными. При непосредственныхнаблюдениях свойства объекта воспринимаются органами чувств человека. Такиенаблюдения всегда играли большую роль в исследовании науки. Так, например,наблюдение положения планет и звезд на небе, проводившиеся более двадцати летТихо Браге с необыкновенной для невооруженного глаза точностью, способствовалиоткрытию Кеплером его знаменитых законов. Однако чаще всего научное наблюдениебывает опосредованным, т.е. проводится с помощью технических средств.Изобретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа расширило возможностиастрономических наблюдений, а создание в ХХ веке рентгеновских телескопов ивывод их в космос на борту орбитальной станции позволило проводить наблюденияза такими космическими объектами, как квазары, пульсары, которые невозможнобыло бы наблюдать никаким другим способом.

Развитие современного естествознания связано с повышением роли такназываемых косвенных наблюдений. Так, например, объекты, изучаемые ядернойфизикой, не могут наблюдаться ни непосредственно, с помощью органов чувствчеловека, ни опосредованно, с помощью самых совершенных приборов. То, чтоученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, — этоне сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенныетехнические средства. Например, регистрацию взаимодействий элементарных частицфиксируют только косвенно с помощью счетчиков (газозарядных, полупроводниковыхи т.п.) или трековых приборов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.)Расшифровывая «картинки» взаимодействий, исследователи получают сведения о частицахи их свойствах.

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания, он предполагаетактивное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя наизучаемый объект для выявления его определенных сторон и свойств. Преимуществаэксперимента: во-первых, позволяет изучать объект в «чистом виде», т.е. устранятьвсякие побочные факторы, затрудняющие исследование. Во-вторых, позволяетизучать объект в некоторых искусственных, например, экстремальных, условиях,когда удается обнаружить удивительные свойства объектов, тем самым глубжепостигать их сущность. Очень интересными и перспективными в этом плане являютсякосмические эксперименты, позволяющие изучать объекты в таких особых условиях,как невесомость, глубокий вакуум, которые недостижимы в земных лабораториях.В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него,активно влиять на его протекание. В-четвертых, многократность, повторяемостьэксперимента, который может быть повторен столько раз, сколько необходимо дляполучения достоверных результатов.

В зависимости от характера задач эксперименты делятся наисследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты позволяютделать открытия, обнаруживать у объекта новые, ранее неизвестные свойства. Так,например, эксперименты в лаборатории Э. Резерфорда показали странное поведениеальфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходилосквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось, анекоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч отсетки. Такая картина, согласно проведенным расчетам, получалась из-за того, чтовся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть объема атома,и отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром. Такисследовательский эксперимент Резерфорда привел к обнаружению ядра атома, и темсамым к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат подтверждению некоторых теоретических построений.Например, существование целого ряда элементарных частиц (позитрон, нейтрино идр.) было вначале предсказано теоретически.

Измерение – процесс, состоящий в определении количественных значенийсвойств или сторон изучаемого объекта с помощью специальных техническихустройств. Результат измерения получается в виде некоторого числа единицизмерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемыйобъект. Единицы измерения подразделяются на основные, используемые в качествебазисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из базисных спомощью некоторых математических соотношений. Методика построения системыединиц была впервые предложена в 1832 г. Карлом Гауссом. В предложенной системев основу положены три произвольные единицы: длины (миллиметр), массы(миллиграмм), времени (секунда). Все остальные единицы можно было получить изэтих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системыединиц физических величин, построенных по принципу Гаусса. Кроме того, в физикепоявились так называемые естественные системы единиц, в которых основныеединицы определялись из законов природы. Примером служит система единиц,предложенная Максом Планком, в основу которой были положены «мировыепостоянные»: скорость света в вакууме, постоянная тяготения, постояннаяБольцмана и постоянная Планка. Исходя из них (и приравняв их к «1»), Планкполучил ряд производных единиц: длины, массы, времени, температуры. В настоящеевремя в естествознании действует преимущественно Международная система единиц(СИ), принятая в 1960 году Генеральной конференцией по метрам и весам. Даннаясистема является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших донастоящего времени и охватывает физические величины механики, термодинамики,электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.

На теоретической стадии прибегают к абстракциям и образованию понятий,строят гипотезы и теории, открывают законы науки. К числу общенаучныхтеоретических методов относят сравнение, абстрагирование, идеализацию, анализ,синтез, дедукцию, индукцию, аналогию, обобщение, восхождение от абстрактного кконкретному. Главная их особенность в том, что это логические приемы, т.е.операции с мыслями, знаниями.

Сравнение – мысленная операция выявления сходства и различия изучаемыхпредметов. Частным случаем сравнения является аналогия: вывод о наличии тогоили иного признака у исследуемого объекта делается на основе обнаружения у негоцелого ряда сходных признаков с другим объектом.

Абстрагирование – мысленное выделение признаков предмета и рассмотрениеих отдельно от самого предмета и других его признаков. Идеализация – мысленноеконструирование ситуации (объекта, явления), которой приписываются свойства илиотношения в «предельном» случае. Результатом такого конструирования являютсяидеализированные объекты, такие как: точка, материальная точка, абсолютночерное тело, абсолютно твердое тело, идеальный газ, несжимаемая жидкость и др.Благодаря идеализации процессы рассматриваются в «чистом виде», что позволяетвыявить законы, по которым эти процессы протекают. Например: допустим, чтонекто идет по дорожке с багажной тележкой и внезапно перестает ее толкать.Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, азатем остановится. Можно придумать множество способов удлинения пути,проходимого тележкой после толкания. Однако устранить все внешние воздействияна длину пути невозможно. Но, рассматривая движение тела в «предельном» случае,мы можем заключить, что если совсем устранить внешние воздействия на движущеесятело, то оно будет двигаться бесконечно и при этом равномерно и прямолинейно.Такой вывод был сделан Галилеем и получил название «принцип инерции», анаиболее четко сформулирован Ньютоном в виде закона инерции.

С идеализацией связан такой специфический метод как мысленныйэксперимент, который предполагает оперирование идеализированным объектом,замещающим в абстракции объект реальный.

Анализ – метод исследования, состоящий в разделении целого на части, сцелью их самостоятельного изучения.

Синтез – соединение ранее выделенных частей в целое с целью выявления ихвзаимосвязи и взаимодействия. Связь анализа и синтеза вытекает из самой природыобъектов, представляющих единство целого и его частей. Анализ и синтез обусловливаютдруг друга.

Индукция – логический метод, основанный на движении мысли от единичногоили частного к общему. В индуктивном умозаключении истинность посылок (фактов)не гарантирует истинности выводимого заключения, оно будет лишь вероятностным.Метод научной индукции основан на выяснении причинной (каузальной) связи исследуемыхявлений. Каузальность – такое внутреннее отношение между двумя явлениями, когдаодно из них порождает, вызывает другое. Это отношение содержит: явление,которое претендует на то, чтобы быть причиной; явление, которому мы приписываемхарактер действия (следствия), и обстоятельства, в которых происходит взаимодействиепричины и действия.

Для причинной связи характерно:

·       причина постояннопредшествует своему действию во времени; это значит, что причину данногоявления следует искать среди обстоятельств, предшествующих ему во времени,учитывая факт некоторого сосуществования во времени причины и следствия.

·       Причина порождаетдействие, обусловливает его появление; это значит, что одного предшествованияво времени недостаточно для каузальной связи, повод – условие, предшествующеевозникновению явления, но не порождающее его.

·       Связь причины иследствия необходима; это означает, что можно доказать отсутствие причиннойсвязи в случае, когда действие наступает, а предполагаемой причины не наблюдалось.

·       Связь причины идействия всеобща; это значит, что каждое явление имеет причину, поэтому, какправило, наличие причинной связи нельзя установить на основании единичногоявления, необходимо изучение определенного множества явлений, в рамках которогосистематически проявляется искомая причинная связь.

·       С изменением интенсивностипричины изменяется и интенсивность действия. Это наблюдается тогда, когдапричина и следствие определенное время сосуществуют.

На этих свойствах основаны методы открытия причинных связей,разработанные Ф. Бэконом (1561- 1626), а затем усовершенствованные английскимфилософом, логиком, экономистом Джоном Стюартом Миллем (1806-1873). Эти методыполучили название методов научной индукции. Всего их пять:

 1. Метод единственного сходства: если какое-то обстоятельство постояннопредшествует наступлению исследуемого явления в то время, как иныеобстоятельства изменяются, то это условие, вероятно, и есть причина данного явления.

2. Метод единственного различия: если какое-то условие имеет место, когданаступает исследуемое явление, и отсутствует, когда этого явления нет, а всеостальные условия остаются неизменными, то, вероятно, данное условиепредставляет собой причину исследуемого явления.

3. Соединенный метод сходства и различия: если два и большее числослучаев, когда наступает данное явление, сходны только в одном условии, в товремя как два или более случаев, когда данное явление отсутствует, отличаютсяот первых только тем, что отсутствует это условие, то это условие, вероятно, иесть причина наблюдаемого явления.

4. Метод сопутствующих изменений: если с изменением условий в той жестепени меняется некоторое явление, а остальные обстоятельства остаютсянеизменными, то, вероятно, данное условие является причиной наблюдаемого явления.

5. Метод остатков: если сложные условия производят сложное действие иизвестно, что часть условий вызывает определенную часть этого действия, тоостающаяся часть условий вызывает остающуюся часть действия.

Дедукция – это движение мысли от общих положений к частным или единичным.Дедукция — общенаучный метод, но особенно большое значение дедуктивный методимеет в математике. В науке Нового времени разрабатывал и пропагандировалдедуктивно-аксиоматический метод познания выдающийся философ и математик Р.Декарт. Его методология была прямой противоположностью эмпирическому индуктивизмуБэкона.

Из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можносделать вывод об электропроводности конкретной медной проволоки, зная, что медь– металл. Если исходные общие положения являются истинными, то дедукция всегдабудет давать истинный вывод.

Наиболее распространенным видом дедукции является простой категорическийсиллогизм, в котором устанавливается отношение между двумя крайними терминами S и P на основании их отношения к среднему термину M. Например:

Все металлы (M) проводятэлектрический ток (P).

Важное место в теории дедуктивных рассуждений занимает также условно- категорическое умозаключение.

Утверждающий модус (modus ponens):

Если у человека повышена температура (a), он болен (b). Уэтого человека повышена температура (a). Значит, он болен (b).

Как видно, мысль здесь движется от утверждения основания к утверждениюследствия: (a —› b, a) —› b.

Отрицающий модус (modus tollens):

Если у человека повышена температура (a), он болен (b).Этот человек не болен (не-b).Значит, у него нет повышенной температуры (не-a).

Как видно, здесь мысль движется от отрицания следствия к отрицаниюоснования: (a —› b, не-b) —›не-a.

 Дедуктивная логика играет важнейшую роль в обосновании научного знания,доказательстве теоретических положений.

Аналогия и моделирование. Оба эти метода основаны на выявлении сходства впредметах или отношениях между предметами. Модель – искусственно созданноечеловеком устройство, которое в определенном отношении воспроизводит реальносуществующие предметы, являющиеся объектом научного исследования. Моделированиеосновано на абстрагировании сходных признаков у разных предметов и установлениимежду определенного соотношения между ними. С помощью моделирования можноизучать такие свойства и отношения исследуемых явлений, которые могут бытьнедоступны непосредственному изучению.

В хорошо известной планетарной модели атома его строение уподобляетсястроению Солнечной системы. Вокруг массивного ядра на разном расстоянии от негодвижутся по замкнутым траекториям легкие электроны, подобно тому, как вокругсолнца обращаются планеты. В этой аналогии устанавливается, как и обычно,сходство, но не самих предметов, а отношений между ними. Атомное ядро не похожена Солнце, а электроны – на планеты. Но отношение между ядром и электронами вомногом подобно отношению между Солнцем и планетами.

Аналогия между живыми организмами и техническими устройствами лежит воснове бионики. Это направление кибернетики изучает структуры и жизнедеятельностьорганизмов; открытые закономерности и обнаруженные свойства используются затемдля решения инженерных задач и построения технических систем, приближающихся посвоим характеристикам к живым системам.

Таким образом, аналогия не только позволяет объяснить многие явления исделать неожиданные и важные открытия, она приводит даже к созданию новыхнаучных направлений или коренному преобразованию старых.

Виды моделирования.

Мысленное (идеальное) моделирование – построение различных мысленных представленийв форме воображаемых моделей. Например, в идеальной модели электромагнитногополя, созданной Максвеллом, силовые линии представлялись в виде трубокразличного сечения, по которым течет воображаемая жидкость, не обладающаяинерцией и сжимаемостью.

Физическое моделирование – воспроизведение в модели процессов,свойственных оригиналу, на основе их физического подобия. Оно широкоиспользуется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений(плотин электростанций и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов,например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамическойтрубе), для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ ит.д.

Символическое (знаковое) моделирование связано с представлением вкачестве моделей разнообразных схем, графиков, чертежей, формул. Особойразновидностью символического моделирования является математическоемоделирование. Символический язык математики позволяет выражать свойства,стороны, отношения объектов самой различной природы. Взаимосвязи междуразличными величинами, описывающими функционирование изучаемого объекта,выражается соответствующими уравнениями.

Численное моделирование на ЭВМ основывается на математической моделиизучаемого объекта и применяется в случаях больших объемов вычислений, необходимыхдля исследования данной модели, для чего создается специальная программа. Вэтом случае в качестве модели выступает алгоритм (программа для ЭВМ) функционированияизучаемого объекта.

3. Формынаучного знания

Осваивая действительность самыми разнообразными методами, научноепознание проходит разные этапы. Каждому из них соответствует определенная формазнаний. Основными из них являются факт, теория, проблема (задача), гипотеза,программа.

Факт. В обычном смысле слова «факт» (от лат. factum – сделанное, совершившееся) является синонимом слова«истина», «событие», «результат». Как логическая форма факт – суждение оединичном. Например, «Земля обращается вокруг Солнца», «Вода при 100°С превращается в пар».

Большую роль в выработке и накоплении фактов в естествознании всегдаиграли наблюдения и эксперименты. Можно утверждать, что наука начинается сфактов. Каждая научная дисциплина проходит длительный период их накопления. Дляестественных наук он охватывает ХV-ХVII века, значительную роль вформировании фактической базы естествознания сыграли великие географическиеоткрытия.

Теория является логически организованной системой научных знаний, котораядает целостное и всестороннее описание объекта.

Структура научной теории:

исходный эмпирический базис – факты наблюдений и данные экспериментов;

исходный теоретический базис – аксиомы, постулаты, допущения, законы ит.д.

логический аппарат – правила вывода и доказательства;

совокупность выведенных следствий с их доказательствами.

Функции теории: 1) объяснительная; 2) систематизирующая; 3)предсказательная; 4) методологическая.

1) Объяснить факт – значит, подвести его под эмпирический или теоретическийзакон, если теория носит завершенный характер. Подчинение факта теории носитдедуктивный характер и принимает форму силлогизма.

2) В процессе систематизации факт (в результате объяснения) включается вболее широкий контекст знаний, тем самым происходит установление связей факта сдругими фактами и, таким образом, факты приобретают определенную целостность.

3) Предсказание реализуется в способности теории к дальним и точнымпрогнозам. Предсказательная мощь теории зависит главным образом от двух факторов:во-первых, от глубины и полноты познания сущности явлений, во-вторых,теоретическое предсказание находится в обратной зависимости от сложности инестабильности исследуемого процесса, и чем сложнее и неустойчивее этотпроцесс, тем рискованнее прогноз. К самым простым системам причисляют, как известно,системы, изучаемые небесной механикой. Даже простые первоначальные обобщенияастрономических наблюдений, сделанные древними китайцами более 2000 лет до н.э., позволили им с большой точностью предсказывать солнечные затмения.Геоцентрическая система Птолемея была более мощной в своих предсказаниях ипозволяла предвидеть также расположения планет на небосклоне, моментыравноденствий и др. Пользуясь ею, прокладывали пути своих каравелл Колумб,Васко де Гама, Америго Веспуччи. Однако она была беспомощна во многих предсказаниях,в частности, при определениях длительности года, и, в конце концов, привела ксозданию гелиоцентрической системы Коперника, где многие трудности тогдашнейастрономии были преодолены.

4) Методологическая функция означает, что теория выступает в качествеопоры и средства дальнейшего исследования. Наиболее эффективный научный методесть истинная теория, направленная на практическое применение, на разрешениеопределенного множества задач и проблем. Квантовая теория, например, — не толькообъяснение процессов атомного масштаба, но и действенный метод дальнейшегопознания микромира.

Задача и проблема. Под научной задачей понимают решаемый наукой вопрос,имеющий достаточно средств для своего разрешения. Если же их недостаточно, тоон называется научной проблемой. В структуре задачи или проблемы выделяются: 1)неизвестное (искомое); 2) известное (условие или предпосылки задачи или проблемы).

Итак, проблема – это такой научный вопрос, на который нельзя ответить,пользуясь имеющимися в наличии знанием и средствами. Осознание такой ситуации,когда невозможно старыми средствами решить данную задачу, означает наличиепроблемной ситуации. Она характеризуется:

1) фиксацией существующего пробела в имеющемся знании, противоречия междузнанием и незнанием, известным и неизвестным, осознанием невозможностиимеющимися средствами объяснить какие-то факты;

2) осознанием материала и средств, имеющихся в распоряжении исследователядля достижения поставленной цели. Лишь на определенной ступени развития обществаприходит время для постановки тех или иных проблем. Каждая проблема – это дитясвоего времени.

Противоречия между теорией и фактами – главный источник проблем и задач внауке. Наличие этого противоречия и есть проблемная ситуация. Проблемапоявляется в результате осознания потребности в разрешении противоречия. Конкретныйанализ проблемных ситуаций показывает, что далеко не каждая проблема сразу жеприобретает характер вопроса. Не всякое исследование начинается с выдвиженияпроблемы и кончается ее решением. Нередко бывает так, что проблемаформулируется одновременно с ее решением. Иногда бывает даже, что онаосознается полностью только через некоторое время после решения. Зачастую поискпроблемы сам вырастает в отдельную проблему, решение которой требует особоготаланта. «Великая проблема, — писал Ф. Ницше, — подобна драгоценному камню:тысячи проходят мимо, пока, наконец, один не поднимет его».

Сложность процесса созревания и раскрытия проблем хорошо чувствуют самиученые, постоянно сталкивающиеся с самыми разнообразными проблемами. АльбертЭйнштейн говорил о том, что сформулировать проблему часто важнее и труднее, чемрешить ее.

Таким образом, в содержание проблемы входит знание о том, чего можнодостичь при имеющихся в наличии предпосылках. В этом смысле проблема естьспособ организации научного исследования. Она ориентирует исследование вопределенном направлении и указывает на все возможные известные средства,которые необходимо применить для получения нового знания. Поскольку междузнанием и незнанием существует некая связь, научная проблема в процессеисследования перерастает в гипотезу.

Гипотеза. В первоначальном значении термин «hypothese» означал недоказанное утверждение,принимаемое с целью доказательства. Отсюда легко делался вывод, что гипотеза опережаетвсякое доказательство, и значит, гипотеза есть создание ума, предоставленногосамому себе. Поэтому знанию, претендующему на объективность, следует избегатьгипотез. «Гипотез не измышляю!» – этими словами Ньютона можно выразитьнегативное отношение к гипотезе как источнику заблуждений, которое сложилось вбурно развивающемся естествознании Нового времени. Ученые XVI-XVIII вв., тем не менее, пользуются гипотезами, выдвигаютих, тем самым, доказывая, что научное познание невозможно без гипотез. Дидро,Пристли, Ломоносов – первыми сделали решительный шаг по пути признания ролигипотез в научном исследовании. Теория и эксперимент связаны прочными узами:все в эксперименте делается для того, чтобы открыть какую-нибудь гипотезу,гипотеза, в свою очередь, ведет к новым экспериментам, которые дают новыефакты, развивающие знание об объекте.

Гипотеза — это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное вформе суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизмеизучаемых явлений. По своей логической структуре гипотеза являетсявероятностным суждением, т.к. истинность ее не определенна. По своейпознавательной функции гипотеза выступает либо как форма развивающегося знанияот проблемы к теории, либо как структурный элемент теории. Гипотеза как процессмышления складывается из двух последовательных этапов: 1) построение гипотезы;2) обоснование ее логическими методами.

Построение гипотезы начинается с выдвижения предположения о возможнойпричине интересующего нас явления. Это сложный логический процесс, в которомиспользуются различные методы: индукция, дедукция, аналогия, анализ, синтез.Мышление идет от анализа фактов к заключению о причинах явлений и,следовательно, к объяснению фактов. Опора на факты, их анализ – вот чтоотличает гипотезу от простой догадки, фантазии или вымысла. Для построениягипотезы, поэтому, следует оперировать как можно большим объемом фактическогоматериала.

Гипотезы возникают не только для объяснения эмпирического материала, но идля разрешения противоречий, появляющихся на теоретическом уровне. Например:200 лет в физике сосуществовали две теории света: корпускулярная (Ньютона) иволновая (Гюйгенса). Луи де Бройль в 20-е годы ХХ в. выдвинул гипотезу, чтолюбая частица, независимо от ее движения, есть одновременно и волна, и корпускула.В результате этого два обособленных раздела физики – механика и волновая оптика– оказались взаимосвязаны.

Таким образом, гипотеза может возникать как путем индуктивного обобщенияопытных данных, так и в результате интуиции и последующей дедукции.

Проверка (доказательство) гипотезы – необходимый этап на пути движениянаучного познания к достоверному знанию, и, чтобы стать достоверным, оно должнобыть обосновано. В процессе проверки гипотеза либо принимается, т.е. входит вкачестве элемента в научную теорию или же сама превращается в теорию, либоотвергается. Проверка гипотезы на ее состоятельность проходит последовательнодва этапа: из данной гипотезы выводятся логические следствия, и затемпроводится их эмпирическая проверка с целью установления соответствия следствийи данных опыта. Если соответствие установлено, то гипотезу можно применять вкачестве научного предположения. Дополнительная достоверность гипотезыопределяется тем, что следствия, выводимые из нее, предсказывают факты,существование которых подтверждается ходом исследований. В этом состоитэвристическая роль гипотезы. На основе квантово-релятивистской теории ПольДирак предположил, что существует частица, сходная с электроном, нопротивоположная по заряду, и предвосхитил открытие позитрона. Состоятельностьгипотезы проверяется и путем сопоставления ее следствий с теоретическимиположениями, истинность которых доказана. Если нет противоречия, то можноговорить о ее достоверности.

Очень часто ученым приходится безвозвратно отказываться от гипотезы всвязи с ее опровержением. Такая судьба, например, оказалась у гипотезыистечения Ньютона, в которой считалось, что скорость распространения света встекле, воде и т.д. является более высокой, чем в воздухе, у гипотезы вечногодвигателя в связи с открытием законов сохранения и др.

Обычно при анализе фактических данных выдвигается несколько гипотез,объясняющих данный класс явлений, — так называемые «конкурирующие гипотезы». Вборьбе конкурирующих гипотез большую роль играют «решающие эксперименты». Онипроводятся тогда, когда из этих гипотез удается вывести следствия,противоречащие друг другу, но которые можно сопоставить с данными эксперимента.Подтверждение следствий одной гипотезы будет свидетельствовать об опроверженииследствий другой. Это значит, что и гипотеза, из которой получены такиеследствия, также признается ложной. Гипотеза, альтернативная ей, хотя и непризнается пока истинной, но приобретает большую вероятность.

Требования к гипотезе:

Гипотеза должна быть принципиально проверяемой, т.к. ее содержание должнобыть сопоставимо с содержанием эмпирических данных.

Гипотеза должна быть обоснована не только эмпирически, но и теоретически(не противоречить установленным наукой законам).

Гипотеза не должна быть внутренне противоречивой.

Простота гипотезы. Из «конкурирующих» гипотез выбирается та, котораяявляется наиболее простым объяснением. Сами ученые называют это требование«бритвой Оккама» по имени философа Уильяма Оккама. Смысл этого правила в том,что более простые объяснения природных явлений с большей вероятностью могутоказаться правильными, чем более сложные. Если мы располагаем двумя гипотезами,объясняющими одни и те же явления, то следует выбирать ту из них, котораявключает наименьшее из возможных число допущений или сложных выкладок, отсекая(как бритвой) те, которые содержат избыточные принципы. «Бритва Оккама»оказалась исключительно полезным методологическим правилом, однако всовременной науке его применяют с осторожностью, т.к. он не является верным вкаждом конкретном случае.

Закон науки. Чаще всего научное познание связано с поиском универсальныхобщезначимых и достоверных законов, которые могут быть в любой моментэкспериментально проверены. Научные дисциплины такого типа называют номологическими(от греч. nomos– закон). К ним относится большаячасть научных дисциплин. Закон – устойчивая повторяющаяся связь явлений.Установление законов науки связано с обнаружением повторяемых и воспроизводимыхфеноменов. Законы науки играют роль важнейших принципов объяснения каких-либофактов. Поэтому закон является главным структурным элементом научной теории.Противоречие фактов закону, как мы уже видели, означает проблемную ситуацию,разрешением которой является гипотеза. Например, проводившиеся в Х1Х в.наблюдения за движением планеты Уран показали, что оно противоречитпредсказаниям, сделанным на основании законов Ньютона. Это влекло за собойпредположение о ложности законов Ньютона. Однако вместо того, чтобы опровергатьзаконы Ньютона, Леверье и Адамс выдвинули догадку о том, что вблизи Урана можетнаходиться не обнаруженная до сих пор планета, которая и отвечает за аномальноедвижение Урана. Галле занялся поисками этой планеты. Так была открыта планетаНептун.

В зависимости от методологии законы науки делятся на эмпирические,полученные с помощью индуктивного обобщения, и теоретические, полученные путемидеализации.

Научная программа. Достижение научных целей невозможно без решениякомплексов проблем и задач. Для обозначения этих комплексов в методологиюнаучного познания было введено понятие «научная программа». Научная программапредставляет собой систему целей, средств, ценностей. В рамках научнойпрограммы формулируются общие теоретические положения, задаются идеалы научногопознания и организации научного знания, его оценки.

4.Принципы естествознания. Способы обоснования (модели) естественнонаучногознания

Принципы естествознания:

Формально-логические принципы: обоснованности, однозначности,непротиворечивости, полноты, которые выражаются в основных законах логики:

Закон тождества – в процессе рассуждения всякая мысль должна оставатьсяравной самой себе ( А=А)

Закон непротиворечия — никакое суждение и его отрицание не могут бытьистинными в одно и то же время (неверно, что А и не-А)

Закон исключенного третьего – из двух противоречащих суждений только одноявляется истинным (либо А, либо не-А)

Закон достаточного основания — каждая мысль должна быть достаточно обоснованной.

А также принцип соответствия: должно быть соответствие между старой иновой теорией, в некотором пределе математический аппарат новой теории долженсовпадать с математическим аппаратом старой теории.

Эмпирические принципы (верификация — соответствие фактам):согласованность теоретических утверждений с фактическим материалом, возможностьих эмпирического подтверждения и опровержения. От научных положений требуется,чтобы они допускали принципиальную возможность опровержения (фальсификация) ипредполагали определенные процедуры своего подтверждения. Если этого нет, тоотносительно какого-то положения нельзя сказать, какие ситуации и фактынесовместимы с ним, а какие – поддерживают его. Например, в начале ХХ векабиолог Г. Дриш попытался обосновать наличие у живых существ так называемой«жизненной силы», заставляющей их вести себя определенным образом. Эта сила,названная им «энтелехией», имеет различные виды в зависимости от стадииразвития организма. В простейших организмах энтелехия сравнительно проста, учеловека она значительно сложнее и отвечает за все, что происходит в его теле.Дриш не определял, чем энтелехия, например, дуба отличается от энтелехиибегемота. Он просто утверждал, что каждый организм имеет собственную энтелехию.Законы биологии он истолковывал как проявление энтелехии. Так, например, еслиполностью отрезать у морского ежа конечность, он не выживет; если отрезатьдругим способом, то еж выживет, и у него вырастет неполная конечность; еслиразрез сделать иначе и на определенной стадии роста ежа, то конечностьвосстановится полностью. Можно ли было эмпирически проверить наличие энтелехии?Нет, поскольку она ничем себя не проявляла. Гипотеза энтелехии ничего недобавляла к научному объяснению, и вскоре была отброшена как бесполезная.

Прагматические принципы:

принцип простоты — требование использовать при объяснении изучаемогообъекта как можно меньше независимых допущений, которые при этом должны быть какможно более простыми;

принцип привычности – требование объяснять, насколько это возможно, новыеявления с помощью известных законов;

принцип технологической применимости — требование максимальнойэффективности практического применения полученного знания.

В истории естественнонаучного познания сложились три модели построениянаучного знания (или теории):

Дедуктивно-аксиоматическая модель – способ построения научного знания,при котором в основу кладутся некоторые исходные положения, не требующиедоказательства в силу своей очевидности, — аксиомы или постулаты. Все остальныеутверждения выводятся из них чисто логическим дедуктивным путем, посредствомдоказательства. Исходные положения, принимаемые без доказательства, называютсяпостулатами, положения, доказываемые на их основе, — теоремами. Аксиоматическийметод зародился в Древней Греции и приобрел известность благодаря «Началам»Эвклида – это было первое аксиоматическое истолкование геометрии.

В настоящее время дедуктивно-аксиоматическая модель стала использоватьособый подход – формализацию. В научном исследовании стали применятьсяформализованные (искусственные) языки. Процесс формализации связан с наличиемтрех условий: 1) алфавита – определенного набора знаков, имеющих только однозначение; 2) алгоритма — правил перевода научных высказываний на язык формул;3) правил вывода.

Формализованные языки имеют перед естественным языком важнейшиепреимущества: 1) возможность проведения исследования чисто формальным путем(оперирование знаками) без непосредственного обращения к объекту;

2) моносемичность (каждый знак имеет только одно значение). Однаковозможности любого формализованного языка остаются принципиально ограниченными,что показал в своей знаменитой теореме неполноты в начале 30-х годов ХХ в.австрийский математик и логик Курт Гёдель. Дедуктивно-аксиоматическая модельобоснования научного знания лежит в основе концепции рационализма.

2. Индуктивистская модель связана с принципами научной индукции. Как мыуже выяснили, научная индукция основана на выявлении причинной связи междуявлениями (каузальное объяснение). Эта модель обоснования научного знания лежитв основе концепции эмпиризма.

3. Гипотетико-дедуктивная (стандартная) модель представляет собойвзаимосвязь индукции и дедукции и является способом получения теоретическихзаконов с помощью гипотез. Суть этой концепции состоит в следующем:единообразие мира, которое наука выражает в виде законов различной степениобщности; познание начинается с фактов, т.е. результатов наблюдений иэкспериментов; в процессе обобщения фактов (индукция) формулируютсяэмпирические законы, которые объясняют именно данные факты. Однако от фактов иэмпирических законов нет прямого пути к теоретическим законам. Из теоретическихзаконов можно дедуцировать эмпирические законы, но сами теоретические законыполучены путем гипотезы (догадки). Именно в этом контексте становится понятнойфраза Эйнштейна о том, что никакой логический путь не ведет от наблюдений косновным принципам теории. Возникновение догадки – это иррациональный компонентпознания, в этом процессе огромная роль принадлежит интуиции.

Если же рассматривать знание о природе с точки зрения его формы ииспользуемого языка, то можно выделить такие виды естествознания, как:математическое, таксономическое и дескриптивное. Математическое естествознание– высшая форма развития научного знания. Наиболее математизированной из всехнаук о природе является физика, затем химия, которая в своем учении об атомно-молекулярнойструктуре вещества тесно связана с физикой. Математический аппарат используетсяи в биологии, а также в других естественных науках, однако в них он не являетсяосновным способом изложения знания, здесь главную роль играют классификации(таксономия) и описание (дескрипция).

Блестящим примером научной классификации является периодическая системаэлементов Д.И. Менделеева. Она фиксирует закономерные связи между химическимиэлементами и определяет место каждого из них в единой таблице. Это позволилосделать замечательно подтвердившиеся прогнозы относительно неизвестных ещеэлементов.

Всеобщую известность в ХVIII –ХIХ вв. получила классификация живыхсуществ К. Линнея. Он видел задачу описательного естествознания в расположенииобъектов наблюдения – элементов живой и неживой природы – в строгий порядок поясным и конкретным признакам. Классификация должна была выявить строгиезакономерности и порядок в строении мира, с помощью которых можно было бы датьполное и глубокое объяснение природы.

В описательных науках мысль исследователя вынуждена обращатьсянепосредственно к данным наблюдения и эксперимента, здесь реже удаетсяобнаружить закономерные связи. Описательные методы широко используются вбиологии, медицине и т.п. Описание изучаемых явлений может быть словесным,графическим, схематическим. Для некоторых особенно сложных явлений этот методявляется наиболее подходящим; сами явления таковы, что они не подчиняютсяжестким требованиям гипотетико-дедуктивного метода.

Основные понятия темы:

Природа – это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной.

Метод – совокупность принципов, правил и приемов практической итеоретической деятельности.

Эмпиризм – направление в методологии, признающее опыт единственным источникомдостоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.

Рационализм – направление в методологии, согласно которому достоверноезнание дает только разум, логическое мышление.

Факт – 1) действительное событие, то, что существует на самом деле;

2) (научный факт) – суждение о единичном, полученное в результате наблюдения,эксперимента.

 Принцип – сложная, концентрированная форма знания, которая аккумулируетв себе основное направление исследования, его «дух».

Теория – логически организованная система научных знаний, которая даетцелостное и всестороннее описание объекта.

Проблема – это такой научный вопрос, на который нельзя ответить, пользуясьимеющимися в наличии средствами.

Концепция –основной способ понимания, трактовки каких-либо явлений.

Гипотеза — это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное вформе суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизмеизучаемых явлений.

Верификация (эмпирическое подтверждение) – процедура проверки научныхвысказываний через сведение их к опыту.

Натурфилософия – умозрительный подход к пониманию природы как целого.

Тема 3. Динамика естествознания и тенденции его развития

 

1.Возникновение естествознания. Проблема начала науки

Для понимания того, что представляет собой современное естествознание,важно выяснить, когда оно возникло. Существует несколько точек зрения повопросу о начале науки. Иногда отстаивается позиция, что естествознаниевозникло в каменном веке, когда человек стал накапливать и передавать знания омире. Джон Бернал в книге «Наука в истории общества» пишет: «Так как основноесвойство естествознания заключается в том, что оно имеет дело с действеннымиманипуляциями и преображениями материи, главный поток науки вытекает изпрактических технических приемов первобытного человека…»

Некоторые историки науки считают, что естествознание возникло в ДревнейГреции, где на фоне разложения мифологического мышления возникают первыепрограммы исследования природы. Уже в Древнем Египте и Вавилоне были накопленызначительные математические знания, но только греки начали доказывать теоремы.Если науку трактовать как знания с его обоснованием, то вполне справедливосчитать, что она возникла примерно в V веке до н.э. в городах-полисах Греции – очагах будущей европейской культуры.

Большинство историков науки считает, что о естествознании в современномзначении этого слова можно говорить только начиная с ХVI- ХVIIвв. Это эпоха научной революции, связанная с именами И. Кеплера, Х. Гюйгенса,Г. Галилея, И. Ньютона. Рождение естествознания в этом случае отождествляется срождением современной физики и необходимого для нее математического аппарата. Вэто же время происходит становление науки как социального института. В 1662 г.возникает Лондонское Королевское общество, в 1666 г. – Парижская Академия Наук.

Существует точка зрения, что современное естествознание возникло в концеХIХ в. В это время наука оформляется вособую профессию благодаря в первую очередь реформам Берлинского университета,проходившим под руководством Вильгельма Гумбольдта. В результате этих реформпоявилась новая модель университетского образования, в которой обучениесовмещено с научно — исследовательской деятельностью. Эта модель науки былалучше всего реализована в лаборатории известного химика Ю. Либиха в Гессене.Процесс превращения науки в профессию завершает ее становление как современнойнауки.

Таким образом, наука – это сложное многогранное социальное образование,поэтому в зависимости от того, какой аспект ее развития мы делаем предметоманализа, мы получим разные точки отсчета возникновения науки:

— как знания и деятельность по производству этих знаний – с началачеловеческой культуры;

— как форма общественного сознания – Др. Греция V века;

— как социальный институт – Новое время;

— как система подготовки кадров – середина ХIХ века;

— как непосредственная производительная сила – вторая половина ХХ века.

2.Основные модели развития естественнонаучного знания

В методологии науки существует множество моделей логики развития научногознания, но некоторые из них все же являются приоритетными. Рассмотрим некоторыеиз них.

Концепция развития науки, разработанная американским философом ТомасомКуном и представленная в его книге «Структура научных революций», еще в 60-егоды ХХ века собрала наибольшее число сторонников. Т. Кун отметил такойинтересный факт: ученые-обществоведы спорят, в основном, по фундаментальнымвопросам, представители естествознания по таким вопросам спорят очень редко,только тогда, когда их науки переживают кризис. Обычно естествоиспытатели долгоработают в определенных рамках, очерченных фундаментальными научными открытиями.

Т. Кун ввел понятие «парадигма» (признанная научным сообществом модельпостановки и решения проблем). В рамках парадигмы формулируются общие базисныеположения, используемые в теории, задаются идеалы научного объяснения иорганизации научного знания, его оценки.

Парадигма содержит особый способ организации знания, влияющий на выборнаправления исследований и образцы решения конкретных проблем. Сама парадигмане выполняет непосредственно объяснительной функции и не является теорией, хотяи основана на определенной фундаментальной теории. Она выступает в ролипредпосылки построения и обоснования различных теорий и определяет стильнаучных исследований. Т. Кун причислял к парадигмам в истории наукиаристотелевскую динамику, птолемеевскую астрономию, ньютоновскую механику ит.д.

Развитие научного знания внутри парадигмы получило название «нормальнойнауки». Смена парадигм является научной революцией. Например, сменаклассической ньютоновской физики релятивистской эйнштейновской.

Таким образом, согласно модели Куна, развитие науки представляет собойединство экстенсивного («нормальная наука») и интенсивного (научная революция)этапов. Утверждение новой парадигмы происходит в условиях огромного противодействиясторонников прежней. Поскольку новых подходов может быть несколько, то выборпринципов, составляющих будущую парадигму, происходит не рациональным способом,а скорее в результате иррационального акта веры в то, что мир устроен именнотак.

В ответ на это появились другие альтернативные модели науки. Имре Лакатос(Лакатош) предложил методологию научно-исследовательских программ, которая вотличие от модели Т. Куна основана на выборе одной из конкурирующих программпутем применения четких, рациональных критериев. История развития науки – этоконкуренция научно — исследовательских программ, имеющих следующую структуру:

— «жесткое ядро», заключающее в себе исходные положения, неопровержимыедля сторонников программы.

— «защитный пояс» – включает гипотезы, изменения в нем не затрагивают«жесткого ядра».

— «негативная эвристика» – защита ядра программы с помощьювспомогательных гипотез и допущений, которые снимают противоречия с аномальнымифактами.

— «позитивная эвристика» – предположения, направленные на то, чтобыизменять и развивать «опровержимые варианты» исследовательской программы, т.е.определять проблемы, выделять защитный пояс вспомогательных гипотез, предвидетьаномалии и т.п. Ученые, работающие в рамках какой-либо научно-исследовательскойпрограммы, могут долгое время игнорировать противоречивые факты и критику. Онисчитают, что решение конструктивных задач, которое определяется «позитивнойэвристикой», приведет к объяснению непонятных фактов. Это дает устойчивостьразвитию науки. Однако позитивная эвристическая сила любойнаучно-исследовательской программы все же исчерпывает себя и на смену ей приходитдругая. Такое вытеснение одной программы другой является научной революцией.

Таким образом, источником развития науки является конкуренция научныхпрограмм, обусловливающая непрерывный рост научного знания.

Третья модель развития науки принадлежит американскому философу К.Попперу. Она получила название «концепции перманентной революции». В ее основележит принцип фальсификации: теория считается научной, если она опровержима.Прямое подтверждение теории часто затруднено невозможностью учета всех частныхслучаев ее действия, а для опровержения теории достаточно всего одного случая,с ней не совпадающего. Если теория сформулирована так, что ситуация, в которойона будет опровергнута, может существовать, то она является научной. Теория, неопровержимая в принципе, не может быть научной. Познание идет в направлении:теория – факты – новые проблемы. Развитие науки и есть движение от однихпроблем к другим в ходе непрерывной революции.

3. Научныереволюции и смена картин мира

Естествознание – это такая система знаний о природе, которая представляетсобой нечто единое и цельное. Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основныхи важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картинымира (ЕНКМ), под которой понимают систему важнейших принципов и законов,лежащих в основе объяснения природы. (Картина мира – целостный,непротиворечивый образ действительности).

Как правило, в формировании такой картины важную роль играют концепции итеории наиболее развитых отраслей естествознания, которые выдвигаются вкачестве его лидеров. Это не означает, что другие науки не участвуют вформировании картины природы. ЕНКМ – результат синтеза фундаментальных открытийи результатов исследования всех отраслей естествознания. ЕНКМ оказываетвоздействие на другие отрасли науки, в том числе и гуманитарные, и определяетнаучный климат эпохи.

ЕНКМ – целостная система представлений об общих свойствах и закономерностяхприроды, возникающая в результате синтеза основных естественнонаучных принципов.

История естествознания свидетельствует о том, что лидером естествознаниябыла и остается физика – наиболее развитая и систематизированная наука оприроде. Когда формировалось мировоззрение европейской цивилизации Новоговремени, и складывалась научная картина мира, ее определяли именно принципы иконцепции физики.

 В истории естествознания сменяли друг друга физические картины мира:

Механическая картина мира (МКМ)

Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)

Квантово-релятивистская картина мира (КРКМ).

Как видно, физическая картина мира обусловлена той фундаментальнойтеорией, с помощью которой объясняли или пытались объяснить любые явленияприроды. Рассмотрим особенности каждой из них.

Характерные особенности механической картины мира:

— атомизм – учение о мире как совокупности огромного числа неделимыхчастиц, перемещающихся в пространстве и времени. Поэтому МКМ часто называюткорпускулярной концепцией природы. Материя – это атомы.

— движение – ключевое понятие, из него выводились понятия силы, массы,тяготения. (Ньютон: законы движения есть законы мироздания).

— принцип дальнодействия (Ньютон): взаимодействие между телами происходитмгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников;

— принцип абсолютности пространства и времени, которые не связаны сдвижением тел. Пространство является пустым вместилищем тел, время – чистаядлительность.

— принцип детерминизма: любые события жестко предопределены законамимеханики. Согласно этому принципу можно точно и однозначно определить состояниемеханической системы ее предыдущим состоянием, случайности исключаются.

— принцип редукционизма: сведение закономерностей более высоких формдвижения материи к законам простейшей формы – механической. Образ мира –машина, совершенный часовой механизм.

Световые, тепловые, электрические, магнитные явления не вписывались вмеханическую картину мира.

Электромагнитная картина мира.

Майкл Фарадей ввел понятие электромагнитного поля, проводил опыты по егоизучению, пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений оматерии континуальными. (Континуальность – непрерывность). На основе опытов поизучению электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл создал электромагнитнуютеорию, которая легла в основу новой картины мира.

Основные черты ЭМКМ:

— электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являютсяточечными силовыми центрами. Поэтому ЭМКМ называют континуальной концепциейприроды.

— в корне изменились взгляды на материю, пространство, время и силу.Материя – единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечнымицентрами (электрическими зарядами) и волновое движение в нем (колебания).Движение не есть механическое перемещение, а распространение колебаний в поле,которые описываются не законами механики, а законами электродинамики.

— пустого пространства нет, так как поле является абсолютно непрерывнойматерией. Реляционное понимание пространства и времени. Пространство и времязависят от материи.

— принцип близкодействия (Фарадей): любые взаимодействия передаются полемот точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

— принцип детерминизма стал включать понятие вероятности. Случайность –форма проявления необходимости.

— отказ от механистического редукционизма.

Квантово-релятивистская картина мира.

В современной физике в основе объяснения мира лежат две фундаментальныетеории — квантовая теория и теория относительности Эйнштейна. Хотя они ипересекаются, но относятся к разным уровням наблюдения. Квантовая теориянеобходима для изучения явлений на микроуровне (атомы, ядерные и субъядерныефеномены), теория относительности относится к астрономическим скоростям ирасстояниям.

Характерные черты КРКМ:

 - Корпускулярно-волновой дуализм.

— Основным материальным объектом является квантовое поле, переходкоторого из одного состояния в другое меняет число частиц. Основная особенностьэлементарных частиц – универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость.

— Движение – частный случай физического взаимодействия. Известны 4 видафундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное,сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия:взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скоростьпередачи всегда конечна и не может превышать скорость света в вакууме (300 тыс.км/сек).

— Окончательно утверждается принцип относительности пространства ивремени, зависимость их от материи. Пространство-время образуют единыйчетырехмерный континуум.

— Закономерность и причинность выступают в вероятностной форме, такназываемых, статистических законов.

— В картину мира включается наблюдатель, от присутствия которого зависятисследуемые свойства объектов. Мир предстает как мыслеобраз.

К концу ХХ в. облик естествознания существенно изменился. Изменения вфундаментальных науках определяют общие контуры новой научной картины мира. Длянее характерны:

— глобальный эволюционизм – применение идеи развития ко всей материи, втом числе и Вселенной в целом. Эволюционная концепция проникла во всеестественные науки – от физики до геологии. Возникающие в результате процессовдифференциации и интеграции новые научные дисциплины изначально эволюционны(экология, биогеохимия, антропология).

— рассмотрение всех процессов природы с точки зрения самоорганизации(теория самоорганизации – синергетика). Синергетика пытается открытьуниверсальный механизм, осуществляющий самоорганизацию как живой, так и неживойприроды. Самоорганизация понимается как спонтанный (самопроизвольный) переход открытойнеравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к болеесложным и упорядоченным. Открытые системы – это системы, которые обмениваютсявеществом, энергией с внешней средой. Неравновесные – это системы, которыенаходятся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (= максимальнаяэнтропия, т.е. хаос).

— системность – принцип, согласно которому все в мире, в том числе и самаВселенная, имеет системную организацию, т.е. образовано из множества элементовразного уровня сложности и упорядоченности. Для системы характерны:интегративность, иерархичность, субординация элементов.

— историчность означает принципиальную незавершенность научной картины мира.

Развитие естествознания вело к смене картин мира, а значит, к смене основныхпринципов и законов объяснения природы. Этот период развития естествознанияпринято называть революционным. Научная революция – это интенсивный периодразвития науки, ведущий к радикальным изменениям в системе знаний, в принципахи методах научного познания. Для научной революции всегда характерновозникновение кризисных ситуаций, связанных с коренной ломкой устоявшихсягосподствующих представлений о природе. В истории науки выделяют несколькотипов научных революций:

частная – затрагивает одну область знания;

комплексная – затрагивает ряд областей знания;

глобальная – радикально меняет основания науки.

В истории науки глобальных революций было три: В VI – IV вв.до н.э. возникла наука как рациональный способ познания мира; ХVI-ХVII вв. – революция привела к созданию классическогоестествознания; ХХ в. – научно-техническая революция – вела не только крадикальным изменениям в науке и технике, но и к масштабнымсоциально-экономическим преобразованиям, в том числе качественным изменениям впроизводительных силах общества.

Итак, глобальная научная революция означает «потрясение основ», врезультате которого происходит смена парадигм. В истории развития естествознанияпринято выделять три глобальные научные революции и называть по именам ученых,сыгравших в них решающую роль: аристотелевская, ньютоновская и эйнштейновская.

В VI – IV вв. до н.э. возникла наука как рациональный способ познаниямира. Аристотель создал формальную логику – науку о доказательстве, главныйинструмент выведения и систематизации знания. Аристотель впервые предметнодифференцировал научное знание: отделил науки о природе от метафизики(философии) и математики. Аристотелевские нормы научности знания, способыобоснования в науке успешно использовались в течение 1000 лет, а законыформальной логики действуют и поныне.

Революция в естествознании, начавшаяся в 90-х гг. ХIХ в. и продолжавшаяся до середины ХХв. также носила глобальный характер. Она началась в физике, а затемраспространилась на все остальные науки.

I этап(90-е гг. ХIХ в. – 20-е гг. ХХ в.): были сделаныоткрытия, в корне изменившие научные представления о мире,-

электромагнитных волн (Герц);

коротковолнового электромагнитного излучения (Рентген);

радиоактивности (Беккерель);

электрона (Томсон);

светового давления (Лебедев);

идеи кванта (М. Планк);

создание теории относительности (Эйнштейн) и др.

Крушение прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формахдвижения и типах закономерностей, о пространстве и времени получило название«кризиса физики», которое обозначало кризис механистических оснований классическойнауки.

IIэтап (сер. 20-х гг. – 40-е гг. ХХ в.) – создание квантовой механики исоединение ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской картинемира.

IIIэтап (40-е – 70-е гг. ХХ в.) — овладение атомной энергией, создание ЭВМ и кибернетики,начало освоения космоса и развитие космонавтики и др. Научная революциясоединяется с технической, что приводит к НТР.

В настоящее время происходит очередная глобальная революция, в результатекоторой рождается новая наука – постнеклассическая, в которой сосуществуютнесколько парадигм.

4.Классическое, неклассическое и постнеклассическое естествознание

Тенденции современного естествознания.

Классическая наука сложилась в результате революции ХVI – ХVII вв. и охватывает период с ХVIII в. по 20-е гг. ХХ в., т.е. до появленияквантово-релятивистской картины мира.

Специфика классической науки:

— стремление к завершенной системе знаний;

— ориентация на классическую механику, ее законы и принципы;

— механическая картина мира: мир – гигантский механизм.

— механистический детерминизм, который трактовал все типы взаимосвязи ивзаимодействий как механические и отрицал объективный характер случайности. (Б.Спиноза: случайным мы называем явление только по причине недостатка нашихзнаний о нем.) Следствием механистического детерминизма является фатализм –учение о всеобщей предопределенности явлений.

— субстанционализм – поиск первоосновы.

— принцип отражения – познание как зеркальное отображение действительности,следствием чего является признание объективности знания.

— принцип абсолютности знания – знание абсолютно достоверно, а потому инеизменно.

— Механицизм и метафизика: природа — неизменное, всегда тождественное,неразвивающееся целое. (Метафизика понимается здесь как познание явлений внесвязи и вне развития.) Отсюда следует, что если все в мире подчиняется законаммеханики, то человек – тоже машина, а жизнь ничтожна и случайна. Всесуществующее подчиняется действию, так называемых, динамическихзакономерностей, которые повторяются в каждом конкретном случае и имеютоднозначный характер. Механистический детерминизм абсолютизировал динамическиезакономерности. Утверждалось, что, зная состояние объекта в исходный моментвремени, можно определенно предсказать его состояние в любой другой момент времени,т.е. механический процесс носит линейный характер, а время обратимо.

Основные черты неклассической науки (10-20-е гг. – 70-80-е гг. ХХ в.):

— отказ от классической механики как основы познания и объяснениядействительности, замена ее квантово- релятивистскими теориями;

— разрушение классической модели мира – механизма. На смену пришла модельмира-мысли;

— смена стиля мышления как отказ от механистических и метафизическихустановок;

— вероятностный детерминизм выражается в отказе от динамических ивведении статистических закономерностей. Статистические закономерностипроявляются в массе явлений, имеют форму тенденции и описывают состояниеобъекта с определенной долей вероятности. Статистическая закономерностьвозникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтомухарактеризует их поведение в целом. Необходимость здесь проявляется черездействие множества случайных факторов. Пример статистических закономерностей –законы квантовой механики и законы в обществе и истории. Понятие вероятности в статистическихзакономерностях выражает степень возможности наступления, осуществимостиявления или события в конкретных условиях. Вероятность – это количественноевыражение (мера) возможности: если вероятность события равна единице, то этодействительность, при вероятности ноль – наступление события невозможно, междуединицей и нулем – вся шкала возможностей;

— активная роль исследователя в познании, признание влиянияисследователя, приборов и условий на проводимый эксперимент и полученные в ходенего результаты;

— отказ от субстанционализма, т.к. материя неисчерпаема вглубь.

Основные черты постнеклассической науки (с 80-х гг. ХХ в.):

— глобальный эволюционизм: идея эволюции вышла за рамки биологии,естествознание ведет поиск закономерностей и механизмов эволюции на всехуровнях организации материи;

— самоорганизация материальных систем: развитие сложных, открытых,нелинейных, неравновесных систем ведет к переходу их в неустойчивое состояние,выход из которого осуществляется путем перестройки элементов системы, возникаетсогласование поведения элементов, приводящее в качественно новое состояние супорядоченной структурой. Поскольку существует множество возможных ходовразвития, то выбор одного из них случаен. Порядок возникает из хаоса,случайность встроена в механизм эволюции;

— антропный принцип: наблюдатель осознает себя частью исследуемого мира,активно взаимодействует с наблюдаемым объектом. Поэтому Вселенная такова, какаяона есть, потому, что в ней существует человек (наблюдатель);

— плюрализм истины: нет застывшего, неизменного образа объекта;

— антиредукционизм: отказ от возможности объяснить сложное чем-топростым, элементарным. Мир состоит не из элементов-кирпичиков, а изсовокупности процессов – вихрей, волн, турбулентных движений, и представляетсобой бесконечное многообразие взаимодействующих открытых систем с обратнойсвязью.

— комплексность науки: преобладают процессы интеграции, ведущие кинтенсификации междисциплинарных исследований.

Основные понятия темы:

Парадигма (Т. Кун) – признанная научным сообществом модель постановки ирешения проблем.

 Принцип фальсификации (К. Поппер) – это принцип, позволяющий отличатьнаучное знание от ненаучного, утверждающий принципиальную опровергаемость любойнаучной теории.

Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) – система важнейших принципов изаконов, лежащих в основе объяснения природы как единого целого.

Принцип дальнодействия (Ньютон) – взаимодействие между телами происходитмгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.

Принцип редукционизма – сведение закономерностей более высоких формдвижения материи к законам простейшей формы – механической.

Принцип детерминизма – признание всеобщей обусловленности явлений исобытий. Механистический детерминизм признает необходимость и отрицаетслучайность в природе. Вероятностный детерминизм рассматривает случайность какформу проявления необходимости.

Принцип близкодействия (Фарадей) – любые взаимодействия передаются полемот точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Вероятность — количественное выражение (мера) возможности наступлениякакого-либо события (явления) в конкретных условиях.

Корпускулярно-волновой дуализм – признание двойственной природы объектовмикромира, которые одновременно обладают свойствами волны и частицы (корпускулы).

Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных,индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь междуотдельными состояниями объекта, они выражают однозначный характер связи.

Статистические закономерности – результат взаимодействия большого числаэлементов и характеризуют их поведение в целом. Иначе их называют законами среднихвеличин.

Глобальный эволюционизм – применение идеи развития ко всей материи, в томчисле и Вселенной в целом.

 Синергетика – теория самоорганизации.

Научная революция – это интенсивный период развития науки, ведущий крадикальным изменениям в системе знаний, в принципах и методах научного познания.

Тема 4. История естествознания

 

1. Знаниео природе в древних цивилизациях

Тяжелой, полной опасности была жизнь людей в первобытном обществе. Имнепрерывно угрожал голод, холод, эпидемии и междоусобные войны. Чтобыобеспечить себя продуктами питания, необходимо было собирать съедобные растения,охотиться на диких зверей, ловить рыбу. Собирательство позволило накапливатьзнания о свойствах растений и почвы, которые позже сыграли большую роль враспространении земледелия. В процессе охоты древний человек наблюдал заповадками животных. Пещерная живопись свидетельствует о том, что древнихинтересовало строение тела животных. На стенах пещер сохранились изображениякостей, сердца, внутренностей животных. Всё это пригодилось тем, кто позднееначал заниматься скотоводством.

Различные виды знания, приобретаемые первобытными людьми, сохранились ввиде ритуалов и мифов. Иначе они не могли быть использованы в первобытномобществе. Любая информация об явлениях природы, культуры, социальной сторонежизни коллектива воспроизводились как в вербальных, так и в ритуально-предметныхформах. В мифах запечатлен сложный донаучный опыт культурного развитиячеловечества, причем опыт целиком не религиозный. Наряду с религиозными идеями,культурными обрядами и мистическими ритуалами, в мифах кристаллизуется ипозитивный познавательный и практический опыт древних людей.

Многие мифы имели этиологический характер, то есть рассказ опроисхождении мира и человека. Этот рассказ не есть объяснение причинных связей,а просто «картинка того, что было». Мифы являются следствием неадекватного отражениясущности явлений в мышлении человека. В них отражены определенные чертыобъективной реальности, но фрагментарно. В этом аспекте миф не является простозаблуждением. Он дает «чистое» описание некоторой эмпирической совокупностифактов и явлений.

Миф в первобытном обществе составлял мотивацию любого типа деятельности иобычаев, прежде всего ритуалов, являясь важным элементом общественныхотношений. Усложнение структуры практики, дифференциация общества обусловилиэволюцию мифологии.

Люди древнего каменного века, занимавшиеся присваивающим хозяйством(охота, собирательство), были неразрывно связаны с природой и зависимы от нее.В эпоху нового каменного века возникает производящее хозяйство, сделавшеечеловека относительно независимым от окружающей природы. В период неолитическойреволюции, продолжавшейся около семи тысячелетий, как подчеркивается в«Хрониках человечества», были заложены материальные и духовные основы культурМесопотамии, Египта, Китая, Японии и древней Америки.

Коренное изменение материальной и духовной сторон жизни людей произошло(после появления в IV тысячелетии дон.э. письменности) в древних рабовладельческих государствах Шумера и Египта.Появление письменности было вызвано необходимостью регулирования вобщегосударственных масштабах ирригационного земледелия, вести учет сбора дани,поддерживать связь с правительственными властями и зарубежными вассалами.

Орошение земель, водоснабжение, прокладывание водных путей сообщения,строительство пирамид, храмов и дворцов невозможно без определенного минимумазнаний. Носителями этих знаний была каста жрецов. Они накапливали знания вобласти астрономии, математики, химии, фармакологии, медицины, психологии,использовали гипноз, разрабатывали и тщательно готовили ритуальные действия,чтобы вызвать уважение и страх, возбудить надежду и веру и тем самымэффективнее осуществлять контроль над обществом.

 Вавилоняне изобрели систему письменного исчисления в математике, создализамечательную для столь глубокой древности алгебру и зачатки геометрии. Высшимдостижением древнее египетской геометрии были вычисления точной формулы объемаусеченной пирамиды с квадратным основанием, площадей треугольника, прямоугольника,трапеции, круга.

 Развитие наблюдений за планетами привело вавилонян к уяснению правильнойпоследовательности их отдаления от Земли. Важное практическое значение имелоустановление древними египтянами солнечного календаря, с «жестко закрепленнымидатами» (в отличие от лунного, месяцы которого свободно «гуляли по сезонам года»).

В древнем Египте впервые определили продолжительность года, здесьвозникла медицина в современном значении этого слова. В начале III тысячелетия до н. э. были накопленызнания в области терапии, хирургии, офтальмологии. Во второй половине III тысячелетия до н. э. в Египтепоявился первый учебник по хирургии. В 2300 году до н. э. был составленшумерский сборник врачебных рецептов, где в качестве лечебных средствиспользовались растения.

На протяжении тысячелетий шло непрерывное накопление сведений инаблюдений о процессах и предметах природы: о жизни животных и движении звезд,о развитии растений и свойствах различных материалов. Так возник огромный запасэмпирических знаний о том, как плавить металлы, делать стекло, получать вину иуксус, пользоваться целебными травами, люди узнали очень давно. Древний Китайзнал сейсмограф и магнитную иглу, создал бумагу; шумеры придумалигальваническую ванну; майя разработали методы трепанации черепа.

Таким образом, в сакральных цивилизациях наука еще не выделиласьспецифическую сферу духовной деятельности. Теоретическое мышление, будучиэлементом религиозно-этических представлений, не приобрело самостоятельногоразвития. Здесь происходило переплетение элементов научного знания с мистикой исуеверием (астрономии с астрологией, математики с кабалистикой, медицины смагией). Зачатки математических и других рационально-практических познаний,измерения, счет, наблюдения мореплавателей еще не получили интегрированноговыражения в соответствующих теориях.

2.Античная наука о природе

Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н. э. В отличие от рядадревних цивилизаций (Египта, Вавилона, Ассирии) именно в культуре ДревнейГреции обнаруживаются характерные особенности зарождающейся науки.Древнегреческие мыслители были одновременно и философами, и учеными. Господствонатурфилософии обусловило такие особенности древнегреческой науки, какабстрактность и отвлеченность от конкретных фактов. Каждый ученый стремилсяпредставить все мироздание в целом, совсем не беспокоясь об отсутствиидостаточного фактического материала о явлениях природы. Вместе с тем,достижения античных мыслителей в математике и механике навечно вошли в историюнауки.

В ранней древнегреческой натурфилософии господствовала идея о некоторыхисходных первоначалах, лежащих в основе мироздания. К таким первоначаламотносили четыре стихии (воду, воздух, огонь, землю), либо некое мифическоепервовещество – апейрон. Но уже в этот период на смену подобным представлениямо мире приходит стройное по тому времени атомистическое учение о природе.Представителями атомизма были Левкипп, Демокрит, Эпикур, а в натурфилософииДревнего Рима – Тит Лукреций Кар. Основные принципы их атомистических воззренийможно свести к следующим положениям:

1. Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц – атомов инезаполненного пространства – пустоты.

2. Атомы неуничтожимы, вечны, а потому вся Вселенная существует вечно.

3. Атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые иабсолютно неделимые частицы, которые находятся в постоянном движении, изменяютсвое положение в пространстве.

4. Различаются атомы по форме, величине, тяжести и т. д.

5. Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм иразличного порядка их сочетаний.

Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель. В кругего научных интересов входили математика, физика, астрономия, биология. Вистории науки Аристотель известен как автор космологического учения, котороеоказало огромное влияние на миропонимание многих последующих столетий.Космология Аристотеля – это геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая формушара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Вокруг Земли распределена вода,затем воздух, затем огонь. Огонь простирается до орбиты Луны – первого небесноготела. Небесные тела вращаются вокруг Земли по круговым орбитам, они прикрепленык материальным, сделанным из эфира, вращающимся сферам. Космология Аристотелявключала представление о пространственной конечности мироздания. В этойконечной протяженности космоса расположены твердые кристально-прозрачные сферы,на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движениеобъясняется вращением указанных сфер. С крайней сферой соприкасаетсяПерводвигатель Вселенной, под ним Аристотель понимал Бога.

Историческая заслуга Аристотеля в том, что он стал основателем системызнаний о природе – физики. Центральное понятие аристотелевской физики – понятиедвижения. Аристотель разработал первое в истории науки учение о движении –механику. Все механические движения он разбил на две большие группы: движениенебесных тел в надлунном мире (круговое движение) и движение тел в подлунноммире (насильственные и естественные). Аристотель высказывал интересные идеи и вбиологии. Он не только описывал мир живого, он заложил традицию систематизациивидов животных. Он первый поставил классификацию животных на научную основу,группируя виды не только по их сходству, но и по родству. Всех животныхАристотель подразделил на кровяных и бескровных. Такое деление соответствует современномуделению на позвоночных и беспозвоночных. Аристотель вводит в биологию понятиеаналогичных и гомологичных частей тела, идею о сходстве путей эмбриогенеза уживотных и человека, понятие «лестницы существ», то есть расположения живыхсуществ на определенной шкале и т.д.

Геоцентрическая космология Аристотеля была впоследствии математическиоформлена и обоснована Клавдием Птолемеем (90-168). Птолемей по праву считаетсяодним из крупнейших ученых античности. Он серьезно занимался математикой,увлекался географией, много времени посвящал астрономическим наблюдениям.Главный труд Птолемея — «Математическая система». Греческий оригинал былутерян, но сохранился его арабский перевод, который много позднее, уже в XII веке был переведен на латынь. Он существеннодополнил и уточнил теорию движения Луны, усовершенствовал теорию затмений.Птолемей разработал математическую теорию видимого движения планет, котораяосновывалась на следующих постулатах: шарообразность Земли, удаленность отсферы звезд, равномерность и круговой характер движений небесных тел,неподвижность Земли, центральное положение Земли во Вселенной. Теория Птолемеяпозволяла предвычислять сложные петлеобразные движения планет (их ускорения изамедления, состояния и попятные движения). На основе созданных Птолемеемастрономических таблиц положение планет вычислялось с весьма высокой по темвременам точностью (погрешность менее 10''). В течение длительного временисистема Птолемея была не только высшим достижением теоретической астрономии, нои ядром античной картины мира.

 Геоцентрическая система мира Аристотеля-Птолемея просуществовалачрезвычайно долго – вплоть до опубликования знаменитого труда Н. Коперника,заменившего эту систему гелиоцентрической.

Древнегреческая натурфилософия прославилась вкладом ее представителей вформирование и развитие математики. Прежде всего следует отметить знаменитогодревнегреческого мыслителя Пифагора. На счету этого античного ученого имеетсяцелый ряд научных достижений. К их числу помимо «теоремы Пифагора» относитсяоткрытие того факта, что отношение диагонали и стороны квадрата не может бытьвыражено целым числом и дробью. Тем самым в математику было введено понятиеиррациональности.

Одним из крупнейших ученых-математиков античности был Евклид, живший в III веке до н. э. В своем объемистомтруде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени.Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, котораяпо сей день носит его имя.

Известным ученым, математиком и механиком античности был Архимед (287-212до н. э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов,определил значение числа π (представляющего собой отношение длиныокружности к своему диаметру). Архимед ввел понятие центра тяжести и разработалметоды его определения для различных тел, дал математический вывод законоврычага. Ему приписывают «крылатое» выражение: «Дайте мне точку опоры, и ясдвину Землю». Архимед положил начало гидростатике, которая нашла широкоеприменение при проверке изделий из драгоценных металлов и определениигрузоподъемности кораблей. Широкое распространение получил закон Архимеда,касающийся плавучести тел. Научные труды Архимеда имели выход и на практику.Ему принадлежат многочисленные изобретения: так называемый «архимедов винт»(устройство для подъема воды на более высокий уровень), различные системырычагов, блоков, винтов для поднятия больших тяжестей, военные метательныемашины. Архимед был одним из последних представителей естествознания ДревнейГреции.

3. ЭпохаСредневековья: религиозная картина мира и естественнонаучное познание

После расцвета античной культуры на европейском континенте наступилдлительный период застоя и даже регресса – отрезок времени более 1000 лет,который принято называть Средневековьем. Этот упадок объяснялся всеубыстряющимся разложением рабовладельческого общества, которое сопровождалосьбольшими потрясениями в Европе. В образовавшихся государствах жизнь ушла вдеревню. Среди самых высших слоев общества царило глубокое невежество. Единственнымиочагами грамотности были монастыри.

Особенности феодальной жизни привели к тому, что прямые наследникикультуры древних греков возвратились к самым примитивным представлениям оприроде. «Небо повисло над Землей и сжимало ее в ужасных объятиях».

Культура Средневековья не знала науки в строгом понимании. Астрология,алхимия, натуральная магия представляли собой сплав априоризма, умозрительностии грубого наивного эмпиризма. Единственно возможным способом научно — теоретического освоения мира стала схоластическая натурфилософия. Всоответствии с интерпретаторским характером схоластики сложились основныеметоды средневековой «науки»: компиляция; систематизация; классификация; комментарийи универсальные способы выражения средневековой учености: энциклопедия;словник; сумма.

В начале VII века ИсидорСевильский (ок.560 – 636 гг.) в 20 книгах «Этимологии» (своеобразнойэнциклопедии раннего средневековья) изложил сведения по медицине,естествознанию, геометрии и т.п.

В VIII веке аббат Фульдского монастыря Грабан(Рабан) Мавр выпустил энциклопедический сборник «de Universo libri XXII», в котором были собраны сведения из многих наук, ноони не были оригинальными, а почти полностью представляли собой выписки изтрактатов античных ученых.

Наряду с ними широкое распространение получил алхимический рецепт какособая форма познавательно-практического освоения действительности.

«Огоньком» в средневековой тьме называют арабский Восток, столицакоторого становится в начале IXвека центром научной деятельности. В VII и особенно IX – X веках арабские ученые сделали важные открытия в областигеометрии, тригонометрии, астрономии и географии. Крупнейшим математиком иастрологом IX века был Сабит Ибн Корра. Именно вего переводах дошли до нас сочинения Архимеда, которые сохранились в греческоморигинале. Знание античных медиков осмыслил таджикский мыслитель Абу-Али ИбнСина (Авиценна) и объединил их с медицинскими предписаниями своего времени в«Каноне лечебной науки». Здесь затрагивались также вопросы астрономии иминералогии.

Фундаментальные работы по математике, астрономии, физике, ботанике,географии, общей геологии и минералогии создал ученый-энциклопедист,современник Авиценны, Абу-Рейхан аль Бируни. Мыслитель допускал возможностьдвижения Земли вокруг Солнца. В области минералогии и геологии он впервыеустановил плотность и удельный вес многих минералов и металлов.

С конца XI века намечаются некоторые сдвиги визучении природы на западе Европы. Они были вызваны серьезными переменами вэкономике. К этому времени повышается эффективность сельского хозяйства,возникают ремесла, развивается торговля, усиливается рост городов. Крестовыепоходы способствует знакомству Европы с культурными достижениями Востока.

В XII-XIII вв. европейская научная литература обогатиласьбольшим числом латинских переводов с арабского и греческого языков. Сталидоступными сочинения Евклида, Архимеда, Птолемея, Аль-Хорезми, Сабита ИбнКорры, Ибн Сины.

Толчком к возрождению описательного естествознания послужили сочиненияАльберта Великого (ок. 1193 – 1280 г. г.). В своих трудах он проявил обширныезнания не только в области алхимии и астрономии, но и в физике, географии,биологии и ботанике.

Основы для развития экспериментального метода в естественных наукахзаложил Роберт Гроссетет (1168-1258 г. г.). Он считается пионером эмпирическогодоказательства аристотельского естествознания.

Во второй половине XIIIв. польский физик и оптик Виттелий (ок. 1125 – 1280 г. г.), занимаясьисследованиями в области оптики, сделал ряд открытий, в частности объяснил явлениярадуги как результат преломления солнечных лучей отдельными каплями воды.

Роль экспериментального метода в естествознании обосновывает в своихтрудах Роджер Бэкон (1214 – 1294 г. г.). В сочинении «Великое дело» он далэнциклопедический анализ науки, включая достижения предшествующих поколений. Р.Бэкон развивает новое представление о материи, которую он отделяет от Бога, офигурах тел, о движении, о времени и вечности. Он указывает на то, что живые инеживые тела природы состоят из одних и тех же материальных частиц. Он высказалряд гениальных для того времени научных догадок (о телескопе, летательных аппаратах,порохе). Еще при жизни ему присвоили титул «удивительный доктор», несмотря нато, что он за свои идеи подвергался преследованию. Он разработал проект реформыюлианского календаря, которая, однако, была осуществлена спустя три века.

Томас Брадвардин (1290 – 1349 г. г.) предпринял первую попыткуразработать математические начала натурфилософии. Он стремился математическивыразить зависимость между скоростью, движущей силой и сопротивлением. Онразрабатывал учения о континууме, актуальной и потенциальной бесконечности.

Смелостью, новизной и парадоксальностью поражало физическое учениеНиколая из Отрекура. Он возрождает атомистическое учение древних. По егомнению, рождение и разрушение тел состоит в том, что атомы, сцепляясь, образуеттела, а рассеиваясь в пространстве, производят их разложение. Как и Николай изОтрекура, вопросами физики и механики интересовался профессор Парижскогоуниверситета Жан Буридан. Он стремился объяснить, каким образом движениянебесных тел могут вечно продолжаться сами собой, без посторонних двигателей,после того, как Бог дал им в начале сотворения известный импульс, сохраняющийсяв дальнейшем в силу обычного божьего содействия. Созданная им динамическая«теория импетуса» была мостом, соединившим динамику Аристотеля с динамикойГалилея. Согласно этой теории при падении тела тяжесть запечатлевает в немимпетус, поэтому скорость тела во время падения возрастает. Величина импетусаопределяется и скоростью, сообщенной телу, и качеством материи этого тела.Импетус расходуется в процессе движения на преодоления трения: когда импетусрастрачивается, тело останавливается. Эта идея стала предпосылкой для переходак понятию инерция. Теория импетуса способствовала уточнению и переосмыслениюпонятия силы. Его развитие пошло по двум направлениям: сила как внешнеевоздействие на тело (Ньютон); сила как количество движения, т.е. факторы,связанные с самим движущимся телом (Декарт).

Большой вклад в разработку проблемы движения внес Николь Орем,преподаватель Парижского университета (1323 – 1382 г. г). Он впервые представилграфическое изображение движения, которое напоминало разработанный впоследствииметод координат. Он сформулировал закон падения тел, развивая учение о суточномвращении Земли.

В XV – XVI в.в. фактически заканчивается эпоха Средневековья,начинается эпоха Возрождения, которая ознаменовалась возрастанием интереса кприроде. Переход от Средневековья к Новому времени ознаменовался началом первойглобальной научной революции и становлением классического естествознания.

4. ЭпохаВозрождения: революция в мировоззрении и науке.

 

Предпосылкиклассической науки

Научная революция, которая произошла в эпоху Возрождения в XV–XVI веках и подготовила возникновение классическогоестествознания, была обусловлена всем ходом социокультурных преобразованийЗападной Европы. Становление капиталистических отношений и промышленныйпереворот вели к существенному прогрессу науки и техники, способствовалирадикальным изменениям в мировоззрении общества и индивида. Менялся не толькосоциальный статус человека, но и менялось представление о его месте и роли вмире. Человек – это Творец. Если Бог – это Творец Вселенной, то человек –преобразователь природы и жизни, и Богом ему отведено особое место в мире.

Революция в мировоззрении эпохи Возрождения вела к радикальным изменениямв отношении к Природе, к Богу, к самому себе. Теоцентрическая картина миразаменяется и постепенно вытесняется антропоцентрической. Однако, эта – картина,в которой два центра: Бог и Человек, два Творца мира. Такой целостный образмира опирался на пантеизм – учение о тождестве Бога и Природы («Бог во всем»),и на гуманизм – признание человека, его свободы и достоинства высшей ценностью.

Польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543 г. г.) на основе большогоколичества астрономических наблюдений и расчетов создал новую гелиоцентрическуюсистему мира. В этой системе Коперник низвел Землю до роли рядовой планеты, котораяодновременно вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. В своем труде«Об обращении небесных сфер» Коперник утверждал, что движение – этоестественное свойство небесных и земных механизмов, выражаемое некоторымиобщими закономерностями механики. Это учение опровергало догматизированноепредставление Аристотеля о «неподвижном перводвигателе», приводящем в движениеВселенную, и разрушало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира.Вместе с тем польский астроном считал, что Вселенная конечна, она где-тозаканчивается твердой сферой, на которой закреплены неподвижные звезды.Вселенная похожа на мир в скорлупе.

Философское обоснование идеям Коперника дал знаменитый итальянскийфилософ Джордано Бруно (1548 – 1600). Он настаивал на том, что Вселенная бесконечна,что существует множество миров, подобных нашему миру, многие из них обитаемы.Инквизиция в 1592 году арестовала Джордано Бруно. 8 лет он находился в тюрьме,где подвергался страшным пыткам. 17 февраля 1600 года он был сожжен на костре,на Площади Цветов в Риме. Это произошло на рубеже двух веков, ознаменовавшемсярождением классического естествознания.

Большую роль в формировании предпосылок классического естествознаниясыграл Г. Галилей.

5. ГалилеоГалилей и его роль в становлении классической науки

Галилео Галилея (1564 – 1624) называют «отцом современного естествознания».Именно он стоял у истоков классической механики и экспериментальногоестествознания. До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения,выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движетсятолько при наличии внешнего на него воздействия, и, если это воздействиепрекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеляявляется ошибочным, и сформулировал совершенно иной принцип, получившийвпоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состояниипокоя, либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не производитсякакого-либо внешнего воздействия. Большое значение для становления механики какнауки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, чтоскорость свободного падения тел не зависит от их массы, как утверждалАристотель. Пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения.При этом траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начальноготолчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежитэкспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебаниямаятника, и многое другое.

Истинное знание, по мнению Галилея, достижимо исключительно на путиизучения природы при помощи наблюдения, опыта и математики. Интересныастрономические наблюдения Галилея, обосновывающие и утверждавшиегелиоцентрическую систему Коперника. Он приводит естественнонаучноедоказательство справедливости гелиоцентрической системы в работе «Диалог о двухсистемах мира – Птолемеевской и Коперниковой».

Галилей успел многое: разработал экспериментально — математический методи обосновал его принципы; сформулировал принцип инерции, принцип относительности,законы свободного падения тел, дал строгое определение понятий скорости иускорения; с помощью сконструированного им телескопа он экспериментальнодоказал справедливость учения Коперника.

6. И.Ньютон и его роль в становлении классической науки

Исаак Ньютон (1643-1727) завершил процесс становления классическогоестествознания, четко сформулировав механические законы всех процессов движенияи взаимодействия макроскопических тел и создав для их описания математическийязык бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, ноэто привело к значительному продвижению в описании и понимании природы.Несмотря на то, что в настоящее время его подход кажется естественным иочевидным на фоне абстрактных представлений современной физики, и с негоначинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почтисемьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых. Давсвое определение понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютонсформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами.Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т. Браге и И.Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меругравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате сталовозможным точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морскихприливов. Отличительной чертой классической механики являлась обратимостьдвижений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При описании механическихпроцессов в различных системах координат, движущихся относительно друг другаравномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительностиГалилея. Согласно этому принципу на ускорения тел, возникшие в результате ихсилового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влиянияне оказывает. При этом никакими механическими опытами невозможно установить,какая именно из систем движется. Для расчета достаточно было просто сложитьскорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движениясистем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета иработать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдольвертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траекториябудет иметь вид кривой линии — параболы. Если описать движение (и предсказатьположения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то, чтобы сказать,когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно простоучесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе.

. Научное наследие И.Ньютона разнообразно: создание дифференциального иинтегрального исчисления (параллельно с Лейбницем, но независимо от него),важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощьюсобственноручно построенных зеркальных телескопов. Он внес большой вклад вразвитие оптики: он поставил опыты по изучению дисперсии света (дисперсия света– разложение луча света при прохождении через призму на отдельные спектральныелучи) и дал объяснение этому явлению.

 В 1687 году вышел главный труд Ньютона «Математические началанатуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики.Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией»,подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. ИдеиНьютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определилинаправление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

7. Научнаяреволюция XVI-XVIIвеков, ее ход, содержание и основныеитоги

Отрезок времени примерно от даты публикации работы Николая Коперника «Обобращениях небесных сфер», т.е. с 1543 г., до деятельности Исаака Ньютонаобычно называют периодом «научной революции». Научная революция XVI-XVII в.в. представляет собой мощное движение, которое обретаетхарактерные черты в работах Галилея, идеях Бэкона, Декарта и впоследствииполучает свое завершение в классическом механическом образе Вселенной, подобнойчасовому механизму.

Все началось с астрономической революции Коперника, Тихо Браге, Кеплера иГалилея – наиболее выдающихся ее представителей. Шаг за шагом меняется образмира, с трудом, но неуклонно разрушаются опоры космологии Аристотеля – Птолемея.Коперник помещает в центр мира вместо Земли Солнце. Тихо Браге устраняетматериальные сферы, которые согласно старой космологии вовлекали в своедвижение планеты, а идею материальной сферы заменяет современной идеей орбиты.Кеплер предлагает математическую систематизацию открытий Коперника и завершаетреволюционный переход от теории кругового движения планет («совершенного» впонимании старой космологии) к теории эллиптического движения. Галилейпоказывает ошибочность различения физики земной и физики небесной, доказывая,что Луна имеет ту же природу, что и Земля, и формулирует принцип инерции.Ньютон в своей теории гравитации объединяет физику Галилея и физику Кеплера.

Однако за те 150 лет, которые отделяют Коперника от Ньютона, меняется нетолько образ мира, меняется образ человека, но постепенно меняется также иобраз науки. Научная революция XVI-XVII в.в. – это не только создание новыхтеорий, одновременно это коренное изменение представлений о знании, о науке.Этот итог революции Галилей объяснил очень четко: наука больше не является ниособой интуицией отдельного мага или просвещенного астролога, ни комментарием кавторитету Аристотеля, который все сказал. Наука становится исследованием и раскрытиеммира природы.

У истоков классического естествознания стоял Г.Галилей. Он создалэкспериментальное естествознание, обосновав научный метод. В результате наукаприобретает автономию от веры и философии. Начиная с Галилея, наука намеренаисследовать не что, а как, не субстанцию, а функцию.

Еще один важный итог научной революции – превращение науки в социальныйинститут: возникновение академий, лабораторий, международных контактов(вспомним переписку ученых).

Другая фундаментальная характеристика научной революции – формированиезнания, которое в отличие от предшествующего объединяет теорию и практику,науку и технику, создавая новый тип ученого. Он больше не маг или астролог,владеющий частным знанием посвященных, и не университетский профессор,комментатор и интерпретатор текстов прошлого. Научная революция порождаетсовременного ученого-экспериментатора, сила которого – в эксперименте,становящемся все более строгим благодаря новым измерительным приборам, все болееи более точным. Деятельность ученого нового типа часто протекает вне старыхструктур познания, например, университетов. В XVI и XVIIвеках университеты и монастыри уже больше не являются, как это было всредневековье, единственными центрами культуры. Инженер или архитектор,проектирующий каналы, плотины, укрепительные сооружения, занимает равное илидаже более престижное положение, чем врач, придворный астроном, профессоруниверситета. «Механические искусства» раньше считались «низкими, презренными»,недостойными свободного человека. Теперь они стали приравниваться к «свободнымискусствам», т.е. интеллектуальному труду. Это сближение техники и науки, ихпоследующее слияние рождает современную науку и составляет ее суть. Наукусоздали ученые, но развивается она благодаря технологической базе, машинам и инструментам.«Широкое поле для размышлений, — пишет Галилей в «Беседах о двух новых науках»,- представляет наблюдательному уму практика в вашем знаменитом арсенале,господа венецианцы, и особенно в том, что касается механики: каждый инструменти механизм постоянно используют разные мастера, среди которых… есть оченьопытные и умнейшие люди». Наука утверждается с помощью экспериментов, которыеосуществляются на конкретном материале с помощью испытательных приборов,созданных вручную с использованием инструментов. Чтобы стать ученым теперь необязательно знание латыни, не требовалась знакомство с книгами илиуниверситетская кафедра. Публикации в «Актах» академий и участие в научныхобществах были доступны всем – профессорам, экспериментаторам, ремесленникам,дилетантам. Наука распространяется через книги, периодические издания, частныеписьма, деятельность научных обществ, но не через университетские курсы.Обсерватории, лаборатории, музеи, мастерские, дискуссионные клубы зарождаютсявне университетов.

Научная революция проявилась и в быстром росте и совершенствованииинструментария – компаса, весов, механических часов, астролябий, печей и т.д.,которые быстро модернизируются. В начале XVI века весь инструментарий сводился к немногимпредметам, связанным с астрономическими наблюдениями и топографическимиоткрытиями, а в механике применялись рычаги и блоки. Теперь же в течение всеголишь нескольких десятилетий появляются телескоп Галилея (1610), микроскопМальпиги (1660), Гука (1665) и Ван Левенгука, циклоидальный маятник Гюйгенса(1673), воздушный термометр Галилея (1638), водяной термометр Жана Рея (1632),спиртовой термометр Магалотти (1666), барометр Торричелли (1643),пневматический насос Роберта Бойля (1660) и т.п. Главная задача инструментов,по мнению ученых, — усиливать познавательные способности органов чувств. И в тоже время использование оптических инструментов, таких, как призма или тонкиеметаллические пластинки (например, в опытах Ньютона), позволяет характеризоватьих не только как вспомогательное средство для увеличения возможностей органовчувств, но и как способ устранить обман зрения. Проникая внутрь объектов,инструмент обеспечивает большую объективность по сравнению со свидетельствамичувств. В это же время возникает и другая важная проблема инструмента –искажение исследуемого объекта. В важной полемике Ньютона и Гука по поводутеории цветов и функционировании призмы возникло существенное разногласие. Гукоценил опыты Ньютона с призмой, отмечая их точность и изящество, но он отверггипотезу о том, что белый цвет может иметь сложную природу. Гук считал, чтоцвет не является исходной принадлежностью лучей. По его мнению, белый цвет –продукт движения частиц, проходящих через призму. А это означает, чторассеивание цветов – результат искажения, образуемого призмой. Эта проблемаинструмента – исказителя исследуемого объекта в дальнейшем развитии физики (в XX веке) возникнет вновь.

Деятельность Галилея и Кеплера по раскрытию законов механики успешнопродолжил английский ученый Исаак Ньютон (1643 – 1727 г.г.). Его научноенаследие чрезвычайно разнообразно. Он открыл три закона механики, сформулировалзакон всемирного тяготения, динамически обосновав систему Коперника и законыКеплера. Открытие закона всемирного тяготения оказало огромное влияние надальнейшее развитие естествознания. Это был универсальный закон природы,которому подчинялось все малое и большое, земное и небесное. На основе ньютоновскойклассической механики сложилась картина мира, которая представляла Вселеннуюкак совокупность огромного числа неделимых и неизменных атомов, перемещающихсяв абсолютном пространстве и времени, взаимосвязанных силами тяготения, мгновеннопередающихся от тела к телу через пустоту. Свойства пространства и временинеизменны и не зависят от самих тел. Природа, согласно этой картине мира,являет собой простую машину, части которой подчиняются жесткой детерминации.

8.Естествознание в XVIII-XIXвв.

В ХVIII в. естествознание остается в целоммеханистическим. Физика, выделившись из натурфилософии, была нацелена главнымобразом на количественные исследования отдельных явлений, установлениеотдельных экспериментальных фактов, выявление частных закономерностей.

В первой половине ХVIII в.были достигнуты определенные результаты в изучении электрических явлений.Изобретение А. Вольтом источника постоянного тока открыло дорогу стремительномуразвитию физики и тех­ники электричества. В 80-е годы ХVIII в. Ш. Кулон установил основной закон электричества.Таким образом, к концу ХVIIIв. прояснилась природа электричества.

Химия в начале XVIIIв. отставала в своем развитии от других наук. Вcе дело в том, что количественные методы, разработанныеГалилеем и Ньютоном практически не применялись в химии. Не осознаваласьважность точных измерений. Однако к концу ХVIII в. ученые накопили большой экспериментальныйматериал, который был систематизирован в рамках единой теории. Создателем этойтеории стал французский химик А.Лавуазье. Проведя целую серию опытов, онустановил закон сохранения массы, который стал краеугольным камнем химии XIX в.

Астрономия в XVIII в.становится наукой, основанной на постоянных исчислениях. Поэтому неудивительно, что среди астрономов были в то время математики: Ж. Л. Д'Аламбер,Л.Эйлер, Ж. Д. Лагранж.

 В биологии XVIII в. важноеместо занимала систематика. Шведский натуралист К. Линней разработал системуклассификации растений и животных, в которой было выделено несколькосоподчиненных групп: классы, отряды, роды, виды и разновидности. Им былаузаконена бинарная или двойная номенклатура видовых названий.

Сформулированная в космогонии идея развития природы постепенно переходитв биологию. Французский естествоиспытатель Ж.Бюффон одним из первых в развернутомвиде изложил концепцию трансформизма (ограниченной изменчивости видов ипроисхождения видов в пределах относительно узких подразделений).

Особенностью развития естествознания во второй половине XVIII в. и на протяжении XIX в. являетсяпроцесс его стихийной диалектизации. Начало этому процессу положила работанемецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщаяестественная история и теория неба». В этой работе, опубликованной в 1755 году,была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.Гипотеза Канта утверждала, что Солнце, планеты и их спутники возникли изнекоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномернозаполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновенияСолнечной системы действием сил притяжения, которые присуще частицам материи,составляющим эту огромную туманность. Идеи Канта о возникновении и развитиинебесных тел были несомненным завоеванием науки середины XVIII века. Его космогоническая гипотезапоколебала прочность метафизического взгляда на мир. Через 40 с лишним летфранцузский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827) в своем труде«Изложение системы мира», опубликованном в 1796 г., совершенно независимо отКанта высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогоническоеучение (гипотеза Канта-Лапласа). В XIX веке диалектическая идея развития распространилась на широкие областиестествознания. В первую очередь, на геологию и биологию. Важную роль вутверждении этой идеи сыграл трехтомный труд «Основы геологии» английскогоестествоиспытателя Чарльза Лайеля (1797 – 1875). В этом труде подчеркиваласьидея развития очень длительного существования Земли. Геологический эволюционизмоказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения вбиологии. В 1859 году вышел главный труд Чарльза Дарвина (1809 – 1882)«Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем Дарвин, опираясьна огромный естественнонаучный материал, изложил факты и причины биологическойэволюции. Он показал, что вне саморазвития органический мир не существует ипоэтому органическая эволюция не может прекратиться. Развитие – это условие существованиявида, условие его приспособления к окружающей среде. Наряду с фундаментальнымиработами, раскрывающими процесс эволюции, развития природы, появились новыеестественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе.К числу этих открытий относится клеточная теория, созданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были ботаникиМаттиас Якоб Шлейден (1804 – 1881), установивший, что все растения состоят изклеток, и профессор, биолог Теодор Шванн (1810 – 1882), распространивший этоучение на животный мир. Еще важное открытие этого времени – закон сохранения ипревращения энергии. Первооткрывателем этого закона считают немецкого врачаЮлиуса Роберта Майера (1814 – 1878) и английского исследователя ДжеймсаПрескотт Джоуля (1818 – 1889). В отстаивании этого закона и его широкомпризнании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитыхфизиков XIX века Герман Людвиг ФердинандГельмгольц (1821 – 1894). Признавая приоритет Майера и Джоуля в открытии законасохранения энергии, Гельмгольц установил, что в соответствии с этим принципомидея вечного двигателя невозможна. Доказательство сохранения и превращения энергииутверждало идею единства, взаимосвязанности материального мира. Вся природарассматривалась как непрерывный процесс превращения универсального движенияматерии из одной формы в другую. Свой вклад в диалектизацию естествознаниявнесли и некоторые открытия в химии. К их числу относится открытие в 1828 годунемецким химиком Фридрихом Велером (1800 – 1882) искусственного органическоговещества – мочевины. Оно положило начало целому ряду синтезов органическихсоединений из исходных неорганических веществ. Эпохальным событием в химическойнауке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало открытиепериодического закона химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым(1834 – 1907). Он обнаружил, что существует закономерная связь междухимическими элементами, которая заключается в том, что свойства элементовизменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Обнаружив этузакономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему взависимости от их родства. Из вышесказанного следует, что основополагающиепринципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей связи – получили вовторой половине XVIII века иособенно в XIX веке мощное естественнонаучноеобоснование.

Механистические взгляды на мир господствовали в естествознании не тольков XVII, XVIII, но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантскаямеханическая система, функционирующая по законам классической механики.Считалось, что в силу необходимости, действующей в природе, судьба дажеотдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена.Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную иокончательную основу естествознания. Многие естествоиспытатели вслед заНьютоном старались объяснить, исходя из начал механики самые различныеприродные явления. При этом они неправомерно экстраполировали законы,установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающегомира. Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химическихэлементов, опирались на идею тяготения между атомами. Лаплас был убежден, что кзакону всемирного тяготения сводятся все явления, известные ученым. Исходя изэтого, он работал над созданием новой, молекулярной механики, которая, по егомнению, была призвана дополнить механику Ньютона и объяснить химическиереакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почемувещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причинывсего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, считал он, естьтолько «видоизменение всемирного тяготения». Как очередное подтверждениеньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначальновоспринято физиками открытие, сделанное французским военным инженером, членомпарижской Академии наук Шарлем Огюстом Кулоном (1736 – 1806). Оказалось, чтоположительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другупрямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадратурасстояния между ними. Это означало, что в науке впервые появился один иззаконов электромагнетизма. После Кулона открылась возможность построенияматематической теории электрических и магнитных явлений. Механическая картинамира знала только один вид материи – вещество, состоящее из частиц, имеющихмассу. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлятьэлектрический заряд. Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791 – 1867) ввелв науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, чтомежду магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Такимобразом, он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и тойже силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться пониманиетого, что, кроме вещества, в природе существует еще и поле. Математическуюразработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс КлеркМаксвелл (1831 – 1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическуютеорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме»,изданный в 1873 г. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля иматематическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явилисьсамыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Нопотребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики.Решающую роль в победе этой теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц(1857 – 1894). В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочноераспространение» электромагнитных волн и тем самым экспериментально проверилтеоретические выводы Максвелла. Он также смог доказать принципиальнуютождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световыхволн. Работы в области электромагнетизма положили начало крушениюмеханистической картины мира и открыли путь к новому миропониманию, отличающемусяот механистического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитиюсовременной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картинудействительности.

9. Физикана рубеже XIX-XXвеков, ее открытия и достижения

Классическая механика господствовала в науке два столетия, идя от одногодостижения к другому. Казалось, что ничто не предвещало заминок и неудач. Быласоздана кинетическая теория газов на основе статистического описания поведениябольшого числа движущихся частиц атомов или молекул. Были открыты законытермодинамики, создана теория электричества и магнетизма, получены знаменитыеуравнения электродинамики Максвелла, объединившие эти теории. Однако оказалось,что, прекрасно описывая явления электромагнетизма, эти уравнения не подчиняютсяпринципам относительности Галилея. Покоящийся и движущийся наблюдатель будутполучать разные результаты при рассмотрении процессов взаимодействия движущихсяи неподвижных зарядов. Принцип относительности Галилея стал несовместимым суравнениями Максвелла. К концу XIXвека это противоречие затронуло основания физики. Его необходимо былоразрешить. В конце концов естествознание вынуждено было отказаться от признанияособой, универсальной роли механики. На смену ей постепенно приходило новоепонимание физической реальности.

В 1895 году началась научная революция, ознаменовавшая переход к новомуспособу познания, отражающему глубинные связи и отношения в природе. Онавключала в себя как неожиданные открытия (открытия рентгеновских лучей,радиоактивности, и т.д.), так и великие теоретические достижения: квантоваятеория М. Планка (1900 г.), специальная и общая теория относительности А.Эйнштейна (1905 – 1906 гг.), атомная теория Резерфорда – Бора в 1913 г.Английский физик и общественный деятель Дж. Бернал назвал этот период вразвитии физики героическим. В это время исследуются новые миры главным образомс помощью технических и теоретических средств старой науки XIX века. Это был период в основноминдивидуальных достижений: супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Бора, Эйнштейна.

Эволюция в науке на рубеже XIX – XX веков принесла немало сенсационных открытий, разрушившихпрежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменностихимических элементов и т.д. В 1895 году В. Рентген открыл невидимые глазомэлектромагнитные излучения, проникающие через некоторые непрозрачные длявидимого света материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими. В 1896 годуфранцузский физик А. Беккерель открыл явление естественной радиоактивности.Радиоактивное излучение свидетельствовало о наличии внутри атома колоссальныхисточников энергии и о превращаемости элементов. В 1897 году английский физикДж. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. Открытиярадиоактивности и электрона выдвинули проблему внутреннего строения атома.Уяснив, что электрон является составной частью атомов, Дж. Томсон предложил в1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели,отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом внутриположительно заряженной сферы. При устойчивом состоянии атома электронырасполагаются концентрическими слоями. Несмотря на наивность этой модели,представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.

В 1904 году японский физик Нагаоке пришел к выводу, что атом по своемустроению напоминает Солнечную систему, где вокруг положительного ядра вращаетсякольцо, состоящее из большого числа электронов. Эта модель сначала не привлеклавнимания физиков, так как противоречила очевидным фактам. Однако в 1909 – 1910гг. английский физик Э. Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра –положительно заряженные микрочастицы, размер которых чрезвычайно мал посравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена вего ядре. Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атомарасположено ядро с размером порядка 10-13 см. Вокруг него вращаютсяэлектроны, число которых таково, что общий заряд атома равен нулю. Однако этамодель атома оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла, согласнокоторой вращающиеся электроны должны непрерывно излучать электромагнитныеволны, терять энергию и падать на ядро, что ведет к неустойчивости атома. Однакоэто в природе не наблюдается. Электроны, двигающиеся по круговым орбитам вокругядра, не только не падали на ядро, но и излучали не непрерывную энергию, а лишьопределенными порциями – квантами. Это явление объяснил немецкий физик М. Планкв своей теории, получившей название квантовой.

В 1913 году датский физик Н. Бор, опираясь на теорию М. Планка,разработал квантовую модель атома. В ее основу он положил следующие постулаты:в любом атоме существуют дискетные (стационарные) состояния, находясь в которыхатом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состоянияв другое он излучает или поглощает порцию энергии.

Ядром революции в естествознании на рубеже XIX – XXвеков явилось создание новой механики. Размышляя над тем, как примиритьэлектромагнитную теорию Максвелла с классической механикой, А. Эйнштейн в 1905году пришел к выводу, что принцип относительности справедлив не только вмеханике, но и в оптике и электродинамике, а видоизменять надо законы ипринципы классической механики. Подвергнув глубокому критическому анализуконцепцию абсолютного пространства и времени, он создал специальную теориюотносительности (ее часто называют релятивистской). В ней рассматриваютсяявления, для которых силы тяготения слабы или вообще не существуют. Специальнаятеория относительности представляет собой современную теорию пространства ивремени при движении со скоростями, близкими к скорости света. В 1916 году быласоздана общая теория относительности. Это уже теория не только пространства ивремени, но и тяготения. Она открыла реальность нашего искривленногочетырехмерного мира пространства–времени. Гравитационное поле можетинтерпретироваться как следствие искривленного пространства.

Поскольку мы живем в четырехмерном мире, то поведение материальных точекописывается четырьмя координатами и наглядно представить четырехмерноеискривленное пространство просто невозможно.

Кривизна реального четырехмерного физического мира меняется от однойобласти к другой. Она велика вблизи больших масс и выпрямляется вдали от них.Одно из следующих следствий теории относительности – замедление хода временитяготением, то есть все часы в поле силы тяжести должны замедлять ход и тембольше, чем больше сила тяжести, то есть больше кривизна пространства в даннойточке. Это было проверено с необходимой точностью только в 1960 году в 70футовой башне Гарвардского университета.

Таким образом, научная революция на рубеже XIX – XXвеков характеризовалась не только возникновением новых идей, открытием новыхнеожиданных фактов и явлении, но и преобразованием духа естествознания в целом,возникновением нового способа мышления, глубоким изменением методологическихпринципов естествознания.

10.Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XXв.) Становление современной науки

Новейшая революция в естествознании, начавшаяся в 90-х годах XIX века и продолжавшаяся до середины XX века, была глобальной научной революцией,подобной революции XVI-XVII вв. Начавшись в физике, она затемпроникла в другие естественные науки, кардинально изменив философские иметодологические основания науки, создав феномен современной науки. Первый этапреволюции, охарактеризованный нами выше, внес значительные изменения впредставления о структуре материи, ее свойствах и видах.

Второй этап революции(сер. 20-х гг. – 40-е гг. ХХ в.) был связан с формированием новойквантово-релятивистской картиной мира, основанной на двух фундаментальныхтеориях этого периода – квантовой механике и теории относительности Эйнштейна.Все предшествующие фундаментальные представления были оспорены и замененыновыми. Вещество больше не рассматривалось как материальная субстанция, времяне абсолютно и течет по-разному для объектов, которые движутся с разнойскоростью. Вблизи тяготеющих масс время вообще замедляется и при определенныхусловиях может даже остановиться. Планеты движутся по своим орбитам не потому,что их притягивает некая сила, действующая на расстоянии, но потому, что самопространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные объектыобнаруживали себя и как частицы, и как волны, демонстрируя двойственнуюприроду. Принцип неопределенности в корне подрывал лапласовский механистическийдетерминизм.

Третий этап (40-е– 70-е гг. ХХ в.) начался с овладения атомной энергией, создания ЭВМ икибернетики, освоения космоса и развития космонавтики и др. Научная революциясоединяется с технической революцией, что приводит к НТР. На лидирующие позициинаряду с физикой начинает претендовать биология. Развитие биосферного подходапривело к новому пониманию феномена жизни. Жизнь перестала восприниматься какслучайное явление во Вселенной и превратилась в закономерный этап саморазвитияматерии. Науки биосферного класса: почвоведение, биогеохимия, биоценология,биогеография изучают системы, в которых происходит взаимопроникновение живой инеживой природы.

Сущность НТР проявляется в превращении науки в непосредственнуюпроизводительную силу общества, а самого производства – в простое технологическоеприменение науки. Конкретно этот процесс проявляется во внедрении автоматизацииуправляемых систем на основе электроники, в использовании новых видов энергии(прежде всего развитие атомной энергетики), в увеличении удельного весахимической технологии, связанной с производством материалов с заранее заданнымисвойствами, космонавтика.

Начинают формироваться новые представления о Вселенной в целом и обо всехее проявлениях с точки зрения глобального эволюционизма. Первыми попыталисьраспространить принцип эволюционизма за пределы биологических наук физики. Онивыдвинули гипотезу расширения Вселенной, признав несостоятельностьпредположения о ее стационарности. Вселенная явно развивается, начиная сгипотетического Большого взрыва, давшего энергию для ее формирования иразвития. Эта концепция была предложена в 40-е и окончательно утвердилась в70-е гг. Современный эволюционизм в биологических науках нашел свое проявлениев поиске закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровняхорганизации живой материи. Основная работа велась (и ведется) намолекулярно-генетическом уровне, в результате чего была создана синтетическаятеория эволюции (синтез генетики и дарвинизма). Проникновение принципаэволюционизма в геологию привел к утверждению концепции дрейфа континентов.Возник ряд дисциплин, которые сформировались именно благодаря применениюпринципов развития и поэтому были эволюционны в самой своей основе:биогеохимия, антропология, экология и т.д.

Одним из важнейших результатов внедрения принципа глобальногоэволюционизма было возникновение синергетики. Если в классической наукегосподствовало убеждение, что материи свойственна тенденция к понижению степениее упорядоченности, стремление к равновесию, т.е. в энергетическом отношении кхаотичности. Однако исследование живых систем давало факты, прямопротиворечащие этому. Степень их упорядоченности не только не убывала современем, а напротив, возрастала. Распространение принципа эволюционизма на всеуровни материи сделал это противоречие еще более заметным. Стало очевидным, чтодля сохранения целостного непротиворечивого представления о мире нужно признать,что в природе, во Вселенной действует не только разрушительный, но исозидательный принцип. Материя способна самоорганизовываться и самоусложняться.Возникла теория самоорганизации, которая стала развиваться по нескольким направлениям– синергетика (Г.Хакен), неравновесная термодинамика (И.Пригожин), теориякатастроф (Р.Том). Сформировавшись на базе физических дисциплин –термодинамики, радиофизики и др., в настоящее время синергетика имеет междисциплинарныйхарактер. Ее идеи подводят базу под глобальный эволюционный синтез, осуществляющийсяв науке.

В то же время во второй половине ХХ века стала складыватьсяпарадоксальная ситуация: с одной стороны, наука предъявила весомыедоказательства своей ведущей роли в обществе, с другой стороны, в культуреформировалось и развивалось отрицательное отношение к науке – антисциентизм. Использованиенаучных открытий для создания новых видов оружия и вооружения злодеевсредствами массового уничтожения (от ядерного до химического и бактериологического),применение научных достижений для манипулирования сознанием людей, попыткисоздания в обществе тотального компьютерного контроля, эксперименты с генамиживотных и людей и др. – все это заставило многих отказаться от своей прежнейбезоговорочной веры в науку. Все это свидетельствует о кризисе культуры ицивилизации и связанной с ним переоценке ценностей. При этом подвергаютсясерьезной критике и уточняются место и роль науки, и, прежде всего,естествознания и техники, в жизни общества.

Тема 5. Структурные уровни организации материи

В современной науке в основе представлений о строении материального миралежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будьто атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложноеобразование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент вданном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы,устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали –координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одначасть системы не может измениться без изменения других частей. Связи повертикали – связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим.Система обладает признаком целостности – это означает, что все ее составныечасти, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельныхэлементов. Согласно современным научным взглядам все природные объектыпредставляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованныесистемы.

В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любоеявление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействиечастей (элементов) в рамках целого. Структура — это внутренняя организациясистемы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ейнеповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементовобъекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства иотношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие«развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается какнеобратимое направленное изменение структуры объектов природы, посколькуструктура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры — ее относительная устойчивость. Структура — это общий, качественно определенныйи относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами тойили иной системы. Понятие «уровень организации» в отличие от понятия«структура» включает представление о смене структур и еепоследовательности в ходе исторического развития системы с момента еевозникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и невсегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходитнеобходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации иимеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информациюдля того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свойуровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своейэнтропии (энтропия – мера беспорядка).

До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться безцелостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследованияпроцессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике,приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончаяэкологией. Задача синергетики — выяснение законов построения организации,возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делаетсяне на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построенияорганизации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен).

Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоитпри исследованиях глобальных проблем — энергетических, экологических, многихдругих, требующих привлечения огромных ресурсов.

Современныевзгляды на структурную организацию материи

В классическом естествознании учение о принципах структурной организацииматерии было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментомдля синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.

Современные принципы структурной организации материи связаны с развитиемсистемных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе иее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию,взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения идр. свойства.

Наиболее простой классификацией систем является деление их на статическиеи динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все вмире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят надетерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана нахарактере предсказания динамики поведения систем. В первом случае предсказанияносят однозначный и достоверный характер. Такие системы исследуются в механикеи астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называютвероятностно – статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимисяслучайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют недостоверный, а лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системыоткрытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытыесистемы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к.представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике какопределенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являютсяоткрытыми.

Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире,являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной илинескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организацииэти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.

Классификация и изучение систем позволили выработать новый методпознания, который получил название системного подхода. Применение системныхидей к анализу экономических и социальных процессов способствоваловозникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом вразвитии системного метода было появление кибернетики как общей теорииуправления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельныетеории управления существовали и до кибернетики, создание единогомеждисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общиезакономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразованияинформации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, дляобработки которых служат компьютеры.

Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системногометода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другойстороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотренияматериальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Сталоясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественноразнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложныхсистем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем.Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos – целый), согласно которому целоевсегда предшествует частям и всегда важнее частей.

Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными ивзаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальныхсистем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будутизучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.

Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающиемножеством возможностей новых путей развития. Процессы развития ифункционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е.возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутреннихсвязей и связей с внешней средой. Самоорганизация – это естественнонаучноевыражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизацииобладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.

В современной научно обоснованной концепции системной организации материиобычно выделяют три структурных уровня материи:

мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики,метагалактики); мирогромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световымигодами, а время миллионами и миллиардами лет;

макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земныхрасстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческогоопыта – пространственные величины от долей миллиметра до километров и временныеизмерения от долей секунды до лет.

микромир – мир атомов и элементарных частиц – предельно малых непосредственноненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решениемсложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и вмикромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются врезультате объединения и дифференциации определенных множеств объектовпредыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложностьсистемы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенноезначение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой,общей для таких объектов и их объединений.

Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенноуникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношениек другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Длянего не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарныхчастиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протоноввозникает много других элементарных частиц – в том числе протонов, мезонов,гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: присоударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаеммножественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назадбыло известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон какмельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчасоткрыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано сдвойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной икорпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать впространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношениянеопределенностей Гейзенберга.

Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетоместественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земныхзакономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточноудаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиесясовсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрическиеи негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени иэвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся кобъектам земного масштаба. Негеоцентрические системы – особый тип объективнойреальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством,временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, чтомикромир и мегамир – это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерностихотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чемв макромире или геоцентрическом типе реальности.

Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкоераспространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, вкоторой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя– это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы,макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя такжеимеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень – ДНК, РНК, нуклеиновыекислоты; клеточный уровень – самостоятельно существующие одноклеточныеорганизмы; многоклеточный уровень – ткани, органы, функциональные системы(нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменныеструктуры – популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишьблагодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья,группа, коллектив, государство, нация и др.

Основные понятия темы:

Развитие – необратимое направленное изменение структуры объектов природы.

Структура — это относительно устойчивый порядок внутренних отношениймежду подсистемами или элементами системы.

Система – определенная целостность, образованная совокупностьювзаимодействующих частей, элементов.

Элементы – явления, свойства и отношения, находящиеся во взаимосвязи исоотношении друг с другом в рамках некоторой целостности.

Уровень организации — определенный этап в последовательной смене структурв ходе исторического развития системы с момента ее возникновения.

Мегамир – структурный уровень материи, включающий мир космоса (планеты,звездные комплексы, галактики, метагалактики).

Макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (мир земныхрасстояний и скоростей, масс и объемов).

Микромир – мир атомов и элементарных частиц.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени иэвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся кобъектам земного масштаба.

Негеоцентрический мир – особый тип объективной реальности,характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем,движением по сравнению с нашим, земным миром.

Стохастический – случайный.

Самоорганизация – процесс взаимодействия элементов, в результате которогопроисходит возникновение нового порядка или структуры в системе.

Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики

 

1.Корпускулярная и континуальная концепции природы

На смену натурфилософскому подходу к описанию природы приходитмеханический. Он принес большие успехи, за исключением области оптических иэлектромагнитных явлений, где механика была бессильна, полностью их объяснить.В рамках своего механического понимания мира И. Ньютон создал корпускулярнуютеорию света: свет – это поток материальных частиц. Светящиеся тела излучаютчастицы, движущиеся в соответствии с законами механики, и вызывают ощущениясвета при попадании в глаз. На основе этой теории Ньютон объяснял законыотражения и преломления света.

Х. Гюйгенс (нидерландский ученый) сформулировал волновую теорию, котораяпо аналогии с движением волн на поверхности воды объясняла движение света. В пространствесуществует упругая среда – светоносный эфир. Главный аргумент, который онприводил в защиту своей теории, — факт пересечения двух лучей света, которыепронизывают друг друга точно также как два ряда волн на воде. Против этойтеории был такой факт: волны обтекают препятствие, а световой луч этого делатьне может. Тень от непрозрачного предмета, помещенного на пути света, имеетрезкую границу. Итальянский физик Гримальди с помощью увеличительных линзобнаружил на границах тени слабые участки освещенности в виде перемежающихсясветлых и темных полос – ореолов. Это явление получило название дифракции света(разломанный). Однако авторитет Ньютона был настолько высок, что именно еготеория света пользовалась признанием, хотя и не могла объяснить явление дифракции.

В нач. ХIХ в. английский физик Т. Юнг ифранцузский физик О. Френель объяснили явление интерференции – появление темныхполосок при наложении света на свет. Парадокс: свет, добавленный к свету, необязательно дает усиление, а может дать более слабый свет или даже темноту. Таккак свет – это колебания упругой среды, при наложении волн в противоположныхфазах они уничтожают друг друга, поэтому появляются темные полосы.

В области электромагнитных явлений Фарадей и Максвелл показалинеадекватность механической модели. Датский физик Эрстед открыл явлениеэлектромагнетизма: стрелка компаса, помещенного над проводником, по которомушел электрический ток, отклонялась. Фарадей ввел понятие «силовые линии». Онбыл убежден, что оптика и электричество взаимосвязаны и образуют единую область– «поле сил». Максвелл дал математическую разработку идеи Фарадея и рассматривалполе как самостоятельную физическую реальность. Фарадей предложил гипотезу,Максвелл создал теорию, а немецкий физик Герц дал экспериментальноеподтверждение. В физике окончательно утвердилось понятие «поле» как физическаяреальность, новый вид материи.

В конце XIX в. физики пришли к выводу, чтоматерия существует в виде дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество иполе различаются:

— вещество дискретно, поле непрерывно;

— вещество обладает массой покоя, а поле – нет;

— вещество малопроницаемо, поле полностью проницаемо;

— скорость распространения поля равна скорости света, скорость движениячастиц на много порядков меньше.

Таким образом, вещество – вид материи, обладающий корпускулярнымисвойствами, для его характеристики используются масса покоя, спин, заряд и др.;поле – вид материи, который описывается длиной волны, фазой, амплитудой и ихизменениями в пространстве и времени. Понятие поля нашло применение и в механике,где с его помощью был объяснен феномен гравитации.

2.Детерминизм. Динамические и статистические закономерности

Все явления и процессы в мире связаны между собой. Принцип детерминизмаявляется выражением этой взаимосвязи и дает ответ на вопрос, существует ли вмире упорядоченность и обусловленность всех явлений, или же мир есть неупорядоченныйхаос. В механической картине мира все связи между явлениями носят однозначныйхарактер, поэтому миром правит необходимость, а случайностям нет места. П.Лаплас утверждал, что если бы мы в данный момент знали обо всех явленияхприроды, то смогли бы логически вывести все события будущего. Следствиеммеханистического детерминизма является фатализм.

Центральным понятием детерминизма является «закон». Закон понимается какобъективная, всеобщая, необходимая, повторяющаяся связь между явлениями.

Отличительной особенностью законов классической механики состоит в том,что предсказания, полученные на их основе, носят достоверный и однозначныйхарактер. Они получили название динамических. Динамические закономерностихарактеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяютустановить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта. Иначеговоря, динамические закономерности проявляются в каждом конкретном случаестрого однозначно. Механистический детерминизм абсолютизировал динамическиезакономерности. Позже выяснилось, что не все явления подчиняются динамическимзаконам. В механике Ньютона и электродинамике Максвелла господствовал классическийдетерминизм, в рамках которого формируются динамические законы, однозначносвязывающие физические параметры отдельных состояний объекта. Наряду с ними внауке с середины XIX века стали всешире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными,а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствиемдля признания их в науке как полноценных законов. Они рассматривались каквспомогательное средство для обобщения и систематизации эмпирических фактов.Эти законы получили название статистических.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений и имеют формутенденции. Эти законы называют вероятными, поскольку они описывают состояниеиндивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическаязакономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементови поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистическихзакономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этизаконы, как и динамические, являются выражением детерминизма. Понятиевероятности в рамках статистического закона выражает степень возможностиосуществления явления в конкретной совокупности условий. Вероятность естьколичественное выражение возможности, шкала которой располагается от 0 до 1.При вероятности, равной нулю, данное событие никогда не наступает, привероятности, равной единице, это событие наступает в каждом конкретном случае.

Поскольку динамические законы выражали необходимый характер связи,обеспечивающий точность и достоверность предсказания, их называлидетерминистскими. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когдастатистические законы по традиции называют индетерминистскими, что не соответствуетдействительности.

Итак, и динамические, и статистические закономерности выражаютдетерминизм. Однако это совершенно разные формы.

Классический, или лапласовский, детерминизм основан на представлении,согласно которому весь окружающий мир – это огромная механическая система,поэтому все будущие состояния ее строго предопределены ее начальным состоянием.В основе этой формы детерминизма лежат универсальные законы классическойфизики.

Вероятностный детерминизм опирается на статистические законы.

Когда сравнивают эти формы выражения регулярности в мире, то обычнообращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строгодетерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можноабстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекатьсяот случайностей и тем самым значительно упрощать действительность. Однако такоеупрощение возможно лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходятк исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов,индивидуальное поведение которых трудно поддается описанию, тогда обращаются кстатистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.

Таким образом, в современной концепции детерминизма органическисочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не являютсяни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными, ничем необусловленными. Классический детерминизм чрезмерно подчеркивал рольнеобходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженноепредставление о картине мира. Признание самостоятельности статистическихзаконов, отображающих существование случайных событий, дополняет прежнююкартину строго детерминистского мира. В результате этого необходимость ислучайность выступают как взаимосвязанные аспекты, случайность понимается какформа проявления необходимости. Таким образом, детерминизм становится вероятностным.

3.Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описанииявлений природы

Статистическое описание природы находит свое воплощение в термодинамике.Термодинамика базируется на двух основных законах.

Закон сохранения энергии. Он выполняется во всех явлениях природы иподтверждается опытом человечества.

Q = U – A, где U –внутренняя энергия, A – работа.

Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергиии на совершение работы против внешних сил. В другой редакции этот закон звучиттак: нельзя построить действующую машину, которая бы совершала работу, большеподводимой к ней извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).

Тепловые процессы протекают самопроизвольно только в определенномнаправлении, такие процессы называются необратимыми. То есть тепло перетекаетот более нагретого тела к менее нагретому.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух форм энергии– теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы,связанной с упорядоченным движением. Немецкий физик Р. Клаузиус использовал дляформулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, котороевпоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах измененияпорядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственноусиливается беспорядок (хаос) в системе.

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается сокружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает (второе началотермодинамики).

Таким образом, такие системы эволюционируют в сторону увеличения в нихбеспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамическогоравновесия, в которой работа становится невозможной. В точке термодинамическогоравновесия энтропия максимальна. Поскольку об изменении систем в классическойтермодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то энтропия ивыступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Отличие термодинамической модели от классической механики: необратимостьвремени.

Отличие от эволюционной теории Дарвина: эволюция – это естественный отбори усложнение организации систем; термодинамическая же система движется кдезорганизации систем.

Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселеннуюпредпринял Р. Клаузиус, выдвинув два постулата:

1. Энергия Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Все процессы во Вселенной направлены в сторону термодинамическогоравновесия – состояния, характеризующегося наибольшей степенью хаоса,беспорядка и дезорганизации. Во Вселенной должна наступить «тепловая смерть».

Живые организмы, являясь открытыми системами, постоянно обмениваются сокружающей средой веществом и энергией; получая энергию, организмы упорядочиваются,т.е. снижается энтропия. Но если рассматривать систему «организм – среда» вцелом, энтропия постоянно растет.

Законы классической механики строго инвариантны, неизменны относительноизменения знака времени: замена «+t» на « -t» ничего в них не меняет. Поэтому иговорят, что механика обратима. Если мы абсолютно точно знаем начальныекоординаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое исколь угодно далекое будущее системы. Конечно, практически это осуществитьневозможно, ни один компьютер не справится с такой задачей. Главное то, что мыможем это сделать теоретически. В мире ньютоновской механики все события раз инавсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в нем нет места случайностям.

А вот согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе всепроцессы протекают только в одном направлении – к максимальной энтропии,возрастанию хаоса, что сопровождается рассеянием энергии. Проблема, котораяпотребовала своего решения, выглядела так: как можно вывести необратимостьтермодинамики из обратимости механики?

Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, чтотермодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц:если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобысогласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью,Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре былопоказано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержитпредставление о существовании «стрелы времени», и поэтомудоказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.

Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целомобратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическуюфлуктуацию. А в середине XXвека пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, вкоторой «стрела времени» имеет характер физической реальности ислужит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускаетвозможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областяхВселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особуюфизическую сущность, подобную «жизненной силе».

4.Основные понятия, законы и принципы классической физики

Классическая физика понимается как фундаментальная база исследованиямакрообъектов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим следующий пример. Какдвижется автомобиль? Поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуетсяво вращательное движение колес. Колеса отталкиваются от поверхности дороги, и врезультате автомобиль перемещается в пространстве по отношению к окружающимпредметам. Все эти процессы изучает «Механика». Началом «цепочки» механическихдвижений является движение поршня, который толкает газообразная смесь в камересгорания. Процессы в газах изучает «Молекулярная физика». Часть энергии рабочейсмеси преобразуется в энергию поршня, а часть «выбрасывается» в виде теплотывместе с отработанными газами, расходуется на последующее сжатие рабочей смесии т.д. Эти энергетические процессы, от которых зависят КПД и мощностьдвигателя, изучает «Термодинамика». Электромагнитные процессы в системезажигания изучает «Электродинамика». Поскольку эти процессы формируются с помощьютранзисторов микросхем и других устройств, которые основаны на квантовыхявлениях, то они изучаются «Квантовой физикой».

Таким образом, движение автомобиля представляет собой сумму самых разныхявлений. Различные специальные дисциплины изучают отдельные явления, агрегаты иузлы автомобиля. Это связано с их сложностью и привело к дифференциации науки.Однако самое первое описание движения автомобиля связано с основными законамиклассической физики.

Самый простой вид движения материи в макромире – это перемещение тел по отношениюк другим телам. Для его описания используются основные понятия кинематики:движение, скорость, ускорение, относительность движения, система отсчета,материальная точка, траектория и т.п. и основные законы, объясняющие механическоедвижение, — законы Ньютона:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейногодвижения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.(Закон инерции).

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующейсиле и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует(второй закон – главный закон динамики).

Действие всегда есть равное и противоположно направленноепротиводействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны инаправлены в противоположные стороны (третий закон).

Согласно законам механики – основной причиной движения является действиесил. Поэтому анализу понятия силы в классической физике уделяется большоевнимание. Силы делятся на: силу упругости (она связана с деформацией тел) исилу трения. Природа этих сил связана с электрическим взаимодействием междуатомами; силу тяготения (ее называют силой тяжести, под ее действием свободныетела падают на Землю). Сила тяготения часто проявляется в виде веса – силы, скоторой тело действует на опору; силу инерции.

Существуют разные формы движения материи (механическая, тепловая,электрическая и т.д.), которые могут переходить друг в друга. Поэтому физикаиспользует важнейшее понятие, выражающее меру перехода одних форм движения вдругие, — это энергия. Важнейшие законы классической физики – законы сохранения:

Закон сохранения энергии: энергия не уничтожается и не создается, а можетлишь переходить из одной формы в другую.

Закон сохранения импульса: если сумма внешних сил равна нулю, импульссистемы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.

В современной физике эти важнейшие законы сохраняют свое фундаментальноезначение, они выполняются всегда и везде, не только в макромире, но и в космосеи в микромире.

Несмотря на то, что классическая термодинамика была составной частьюклассической физики, однонаправленность тепловых процессов принципиальноотличала их от механических. Любое механическое движение обратимо, т.е. можетпроисходить как в прямом, так и в обратном направлении через те жепромежуточные состояния: вращение маховика, качание маятника и т.п. При этом вуравнениях движения меняется лишь знак времени: вместо

tследует использовать –t. Этоозначает, что механическое движение симметрично по отношению к изменению знакавремени. Тепловые процессы в этом смысле существенно отличаются: онинеобратимы, не симметричны по отношению к изменению знака времени. Время всегдатечет в одну сторону, так называемая «стрела времени».

Все реальные процессы протекают с увеличением энтропии, т.е. ведут кустановлению теплового равновесия. Из этого следует, что всякая упорядоченностьв окружающем мире постепенно исчезает, плотности частиц и температурывыравниваются, энергия рассеивается, со временем прекращается вообще всякоенаправленное движение, всякая жизнь, останется только молекулярный хаос. Долгоевремя умы не только физиков, но и философов занимала идея тепловой смертиВселенной.

Сосуществовавшие концепции описания природы – корпускулярная и континуальная– взаимоисключали друг друга, так как считалось, что они относятся к разнымсферам реальности. Поэтому обнаружение двойственной природы у одних и тех жеобъектов означало для классической физики потрясение всех ее основ и получилоназвание «кризиса физики».

Основные понятия темы:

Корпускулярная концепция природы описывает все явления и процессы природыкак движение частиц.

Континуальная концепция природы описывает все явления и процессы как

Вещество – вид материи, обладающий корпускулярными свойствами.

Поле – вид материи, который представляет собой взаимодействие частиц иописывается длиной волны, фазой и амплитудой.

Динамические закономерности отображают объективную закономерность в формеоднозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

Статистические закономерности отображают объективную закономерность вформе результата взаимодействия большого числа элементов и поэтомухарактеризуют их поведение в целом.

Закрытые (замкнутые) системы – системы, которые не обмениваются со своимокружением ни массой, ни энергией.

Энтропия – мера беспорядка в системе.

I-еначало термодинамики – закон сохранения энергии.

II-еначало термодинамики – энтропия замкнутой системы постоянно возрастает.

«Тепловая смерть Вселенной» — направленность всех процессов во Вселеннойк точке термодинамического равновесия.

Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика

 

1.Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системыоткрытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытыесистемы. Впервые представление о закрытых системах возникло в классическойтермодинамике и представляло собой определенную абстракцию, т.к. подавляющеебольшинство, если не все системы, являются открытыми.

Для описания энергетических процессов в закрытых системах использовалосьпонятие энтропии (в переводе с греч. – поворот, превращение) и обозначало мерунеобратимого рассеяния энергии. Л. Больцман, интерпретировавший это понятие сточки зрения изменения порядка в системе, связал понятия: энтропия, порядок, хаос.

Понятие энтропии оказалось связано с процессами эволюции в системе.Однако эволюция, понятие которой утвердилось в биологии, была связана сусложнением организации, в то время как эволюция в термодинамике связывалась сдезорганизацией систем. Это противоречие оставалась неразрешимым вплоть до 60-хгг. XX века, пока не появиласьнеравновесная термодинамика.

Процессы, протекающие в различных явлениях природы, стали разделять надва класса. К первому относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Ониразвиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлениюравновесного состояния в системе. Ко второму классу относятся процессы,протекающие в открытых системах. В открытых системах также производитсяэнтропия, поскольку в ней происходят необратимые процессы, но энтропия в этихсистемах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду.Поскольку энтропия характеризует меру беспорядка в системе, постольку можно сказать,что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Всоответствующие моменты – моменты неустойчивости – в них могут возникать малыефлуктуации (отклонения от равновесия), способные разрастаться в макроструктуры.В неравновесных термодинамических системах возможны состояния, приводящие не квозрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к равновесномухаосу, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождениюпорядка из хаоса. В этом случае хаос выступает в роли активного начала процессасамоорганизации. Самоорганизация – это процесс самопроизвольного формированияструктуры более сложной, чем первоначальная. Структуры, образующиеся в процессесамоорганизации, называются диссипативными структурами.

Таким образом, формируется новое представление о хаосе, которое перестаетнести негативный смысл. В традиционном понимании хаос – это беспорядок,дезорганизация. В новом понимании хаос – более высокая форма, где случайность ибессистемные импульсы становятся организующим принципом.

Главным направлением физической науки XX века считалась физика элементарных частиц, котораяисследовала структуру материи при наиболее высоких энергиях, малых масштабах икоротких отрезках времени и породила современные теории о природе физическихвзаимодействий и происхождении Вселенной. Однако она так и не смогла ответитьна некоторые фундаментальные вопросы: как зародилась жизнь, что такоетурбулентность, как во Вселенной, подчиняющейся закону повышения энтропии инеумолимо движущейся к все большему беспорядку, может возникнуть порядок?

Стивен Хокинг, декан физического факультета Кембриджского университета,лауреат Нобелевской премии, космолог, в 1980 г. выступил с обзорной лекцией,посвященной развитию теоретической физики и названной «Не наступает ли конецфизической теории?». Он выразил мнение многих ученых о том, что пониманиезаконов природы в терминах хорошо освоенной физики элементарных частиц оставилобез ответа вопрос о том, как применить эти законы к любым системам, кромепростейших. Только возникновение науки о хаосе позволило окончательноосвободить физику из пут ньютоновского видения мира. Завершилась революция вфизике: теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютностипространства-времени, квантовая механика развенчала мечту о детерминизмефизических событий, и, наконец, теория хаоса развенчала фантазию Лапласа ополной предопределенности развития систем.

Начиная с середины 70-х годов ХХ века ученые осознали, что довольнопростые математические уравнения позволяют моделировать системы, столь женеупорядоченные, как самый бурный водопад. Исследователи в США, Европе и в томчисле в России начали настойчиво и кропотливо изучать хаотические явления.Математики, физики, биологи, химики стали искать связи между различными типамибеспорядочного в природе. В результате было установлено, что полученныезакономерности имеют прямое отношение к множеству природных явлений – оточертаний облаков, конфигурации сеточек кровеносных сосудов до скоплений звезд вГалактике и т.д.

2.Концепция «Тепловой смерти Вселенной»

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить космологическиепроблемы, связанные с термодинамическими процессами. Первую попыткураспространить законы термодинамики на всю Вселенную предпринял Р. Клаузиус. Онвыдвинул два постулата:

· энергия Вселеннойвсегда постоянна;

· энтропияВселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы воВселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамическогоравновесия, соответствующего максимальной энтропии. Для этого состоянияхарактерно наибольшая степень хаоса, беспорядка и дезорганизации. В такомслучае во Вселенной наступит тепловая смерть, исчезновение температурныхразличий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределеннуюво Вселенной.

Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны многих ученых ифилософов, но в середине XIXвека было еще мало научных аргументов для опровержения этой концепции иобоснования альтернативного взгляда. Основные положения концепции «Тепловойсмерти Вселенной» по существу сводились к положениям, которые представляютсобой трудноразрешимые проблемы даже для современной науки. Это – во-первых,Вселенная рассматривается как замкнутая система; во-вторых, эволюция Вселеннойможет быть описана как смена ее состояний; в-третьих, для мира как целогосостояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Поэтому первые возражения против этой концепции были связаны с представлениемо Вселенной не как замкнутой системы, а как системы, находящейся в переменномгравитационном поле.

Одним из первых физиков, пытавшихся представить будущее Вселенной, былтакже и Л. Больцман. Он попытался применить к замкнутой Вселенной понятиефлуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинногозначения величины от ее среднего значения, обусловленного хаотическим тепловымдвижением частиц системы. Согласно так называемому ограничению Максвелла длянебольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, т.к.в этом случае о тепловом равновесии нельзя говорить. Поэтому Больцманутверждает, что раз мы имеем дело лишь с видимой частью Вселенной, котораяпредставляет собой небольшую область бесконечной Вселенной, то ко всейВселенной нельзя применять второе начало термодинамики. Для этой небольшойобласти допустимы отклонения от равновесия (флуктуации), в результате чего в целомисчезает необратимая эволюция Вселенной по направлению к хаосу. Формулируя своюфлуктуационную гипотезу, Больцман исходил из допущения, что Вселенная ужедостигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие возникновения внебольших областях Вселенной микроскопических отклонений от состоянияравновесия (флуктуаций) эти зоны находятся в состояниях, вероятности которых возрастаюти уменьшаются.

Критика концепции «Тепловой смерти Вселенной» осуществлялась по тремнаправлениям:

1) в связи с предположением о том, что наряду с энтропийными процессами вприроде происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению«тепловой смерти» (в т.ч. Больцман).

2) в связи с сомнением в правомерности распространения понятийтермодинамики с отдельных систем на всю Вселенную в целом.

3) в связи с созданием синергетического видения Вселенной и ее эволюции.

В 1965 г. Джон Стюарт Белл опубликовал теорему, получившую название «Онелокальности причин». Белл утверждал, что отдельные причины не могут бытьизолированы одна от другой, во Вселенной все взаимосвязано. Теорема гласит, чтоизолированных систем не существует, и что система, даже разделенная на частиогромными расстояниями, между которыми отсутствуют сигналы, поля, механическиесилы, энергии и т.д., функционирует как единая система. Развивая эту идею,американский ученый Дэвид Бом в своей космологии утверждал, что реальностьедина и представляет собой неделимую целостность, лежащую в основе всейВселенной, порождая, поддерживая и контролируя все путем постоянной связи совсем в глубинной структуре целого.

3.Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики

Классическая термодинамика рассматривала изолированные системы, которыестремятся к равновесному состоянию, или же частично открытые системы,находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия. Поэтому для описанияпроцессов самоорганизации использовать понятия классической термодинамики непредставлялось возможным. Необходимо было ввести новые понятия и принципы,которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящиев природе.

Наиболее фундаментальным из них является понятие открытой системы,которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией илиинформацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь,постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию,которая, однако, не накапливается в ней, а рассеивается в окружающей среде.Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывногообмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или дажеуменьшаться. Из этого следует, что открытая система не может быть равновесной,ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества извнешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В результатепрежняя взаимосвязь между элементами системы (прежняя структура) разрушается.Между элементами системы возникают новые когерентные (согласованные) отношения,которые приводят к кооперативным процессам и к коллективному поведению ееэлементов.

Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называютсядиссипативными. Примером может служить самоорганизация, которая возникает вхимических реакциях. Она связана с поступлением извне новых реагентов, то естьвеществ, обеспечивающих продолжение реакции и выведение в окружающую средупродуктов реакции. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении вжидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора,например, с синего на красный и обратно («химические часы»). Эти реакциивпервые были исследованы отечественными учеными В. Белоусовым и А. Жаботинским.На их экспериментальной основе группой бельгийских ученых во главе с И.Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (отназвания города Брюссель). Эта модель легла в основу исследований новойтермодинамики, которую назвали неравновесной, или нелинейной. Отличительнаячерта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоитв том, что в них используются нелинейные математические уравнения.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик ГерманХакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе сдревнегреческого означает совместное, согласованное действие. Синергетикаобъясняет процесс самоорганизации следующим образом:

1. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамическогоравновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладаетмаксимальной энтропией и поэтому неспособна к какой-либо организации. В этомсостоянии она достигает максимума дезорганизации. Если же система находитсявблизи от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в концеконцов, придет в состояние полной дезорганизации.

2. Если упорядочивающим принципом для закрытых систем является эволюция всторону увеличения их энтропии, т.е. беспорядка, то фундаментальным принципомсамоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации.Такие флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднегоположения) в самом начале функционирования системы подавляются и ликвидируютсяею. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности этиотклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «развалу»прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот принцип обычно называюткак принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носятслучайный характер, а именно с них начинается возникновение нового порядка иструктуры, постольку появление нового в мире всегда связано с действием случайныхфакторов.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на которомосновывается управление и сохранение динамического равновесия систем,возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратнойсвязи. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, неустраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит в результате квозникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии,свойственной для закрытых равновесных систем. Для открытых систем характернаасимметрия.

6. Самоорганизация возможна лишь в системах, имеющих достаточноеколичество взаимодействующих между собой элементов. В противном случае эффектыот синергетического взаимодействия будут недостаточны для появлениякооперативного (коллективного, согласованного) поведения элементов системы ивозникновения процесса самоорганизации.

Это – необходимые, но не достаточные условия для возникновениясамоорганизации в системе. Чем выше уровень организации системы, чем выше онанаходится на эволюционной лестнице, тем более сложными и многочисленнымиоказываются факторы, которые приводят к самоорганизации.

Новое понимание хаоса нашло свое выражение в знаменитом «эффектебабочки», сформулированном Эдвардом Лоренцем, ученым-метеорологом. «Эффектбабочки» гласит: Движение крыла бабочки в Перу через серию непредсказуемых ивзаимосвязанных событий может усилить движение воздуха и, в итоге, привести курагану в Техасе.

Об этом же говорил еще в начале XX века знаменитый математик Анри Пуанкаре. Он пришел к выводу, чтосовершенно ничтожная величина, в силу этого ускользающая от нашего внимания,вызывает значительное действие, которое мы не могли и предусмотреть.

Казалось бы, все говорит о торжестве случая над предопределенностью.Однако то, что мы называем «случайностью» представляет собой некий порядок,выдающий себя за случайность, порядок, законов которого наука пока не можетобъяснить. Появился новый термин – аттрактор, который помогает понятьпроисходящие процессы.

И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии, в книге «Время, хаос, квант»пишет: «При исследовании того, как простое относится к сложному, мы выбираем вкачестве путеводной нити понятие «аттрактора», то есть конечного состояния илихода эволюции диссипативной системы… Понятие аттрактора связано с разнообразиемдиссипативных систем… Идеальный маятник (без трения) не имеет аттрактора иколеблется бесконечно. С другой стороны, движение реального маятника –диссипативной системы, движение которой включает трение, — постепенноостанавливается в состоянии равновесия. Это положение является аттрактором… Вотсутствии трения аттрактор не существует, но даже самое слабое трениерадикально изменяет движение маятника и вводит аттрактор». Для большейнаглядности Пригожин облекает идею в геометрическую форму. Тогда конечная точкадвижения маятника – аттрактор – представляет собой финальное состояние любойтраектории в пространстве.

Однако не все диссипативные системы эволюционируют к одной- единственнойконечной точке, как в случае с реальным маятником. Есть системы, которыеэволюционируют не к какому-нибудь состоянию, а к устойчивому периодическомурежиму. В этом случае аттрактор не точка, а линия, описывающая периодические вовремени изменения системы. Были построены изображения аттракторов, которыепредставляют собой не точку или линию, а поверхность или объем. Полнойнеожиданностью стало открытие так называемых странных аттракторов. В отличие отлинии или поверхности, странные аттракторы характеризуются не целыми, адробными размерностями.

Наиболее четкую классификацию аттракторов дал американский ученый Билл М.Вильямс, который около сорока лет проводил исследования хаотических процессоврынка. В его исследовании соединились достижения физики, математики ипсихологии. Он утверждает, что всеми внешними явлениями управляют четыре силы,извлекающие порядок из беспорядка, получившие название аттракторов:

· Точечныйаттрактор;

· Циклический(круговой) аттрактор;

· аттрактор Торас;

· Странныйаттрактор.

Точечный аттрактор – аттрактор первой размерности – это простейший способпривнести порядок в хаос. Он живет в первом измерении линии, которая составленаиз бесконечного числа точек. Он характеризуется как некая устремленность. Так,в человеческом поведении Точечный аттрактор создает психологическую фиксацию наодном желании (или нежелании), и все остальное откладывается до тех пор, покане будет удовлетворено (уничтожено) это желание.

Циклический аттрактор живет во втором измерении плоскости, котораясостоит из бесконечного числа линий. Им характеризуется рынок, заключенный вкоридор, где цена движется вверх и вниз в определенном диапазоне в течениенекоторого промежутка времени. Этот аттрактор более сложен и являетсяструктурой для более сложного поведения.

Аттрактор Торас – еще более сложный аттрактор. Он начинает сложнуюциркуляцию, которая повторяет себя по мере движения вперед. По сравнению сдвумя предыдущими аттрактор Торас вводит большую степень беспорядочности, и егомодели более сложны. Графически он выглядит как кольцо или рогалик, онобразует, спиралевидные круги на ряде различных плоскостей и иногдавозвращается к себе, завершая полный оборот. Его основная черта – этоповторяющееся действие.

Странный аттрактор из четвертого измерения. То, что поверхностный взглядвоспринимает как абсолютный хаос, в котором не заметно никакого порядка, имеетопределенный порядок, базирующийся на Странном аттракторе. Его можно увидеть,только если наблюдение ведется из четвертого измерения. Его можно представитькак множество пульсирующих линий в трехмерном пространстве, подобныхвибрирующим струнам. Четырехмерность Странного аттрактора получается за счетдобавления пульсаций (вибраций). Важнейшей характеристикой Странного аттрактораявляется чувствительность к начальным условиям («Эффект бабочки»). Малейшееотклонение от начальных условий может привести к огромным различиям в результате.

Вильямс утверждает, что, когда мы находимся под действием первых трехаттракторов, нами манипулируют, и мы становимся предсказуемыми. Только вдинамике Странного аттрактора мы можем быть действительно свободными. Странныйаттрактор организует прекрасный мир спонтанности и свободы.

Для описания сложных систем была создана новая геометрия. В 1975 г. БенуаМандельброт ввел понятие фрактал (от лат. – расколотый) для обозначениянерегулярных, но самоподобных структур. Возникновение фрактальной геометриисвязано с выходом в 1977 г. книги Мандельброта «Фрактальная геометрия природы».Он писал: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые вчем-то подобны целому».

Фрактальная геометрия «увидела» парадоксы, поставившие в тупик многихматематиков XX века. Это и парадокс «береговой линии»,парадокс «снежинка» и др.

Что это за необыкновенная «снежинка»? Представим себе равностороннийтреугольник. Мысленно разделим каждую его сторону на три равные части. Уберемсреднюю часть на каждой стороне и вместо нее приставим равностороннийтреугольник, длина стороны которого составляет одну треть от длины исходнойфигуры. Получим шестиконечную звезду. Она образована уже не тремя отрезкамиопределенной длины, а двенадцатью отрезками длиной в три раза меньше исходной.И вершин у нее уже не три, а шесть. Повторим эту операцию вновь и вновь, числодеталей в образуемом контуре будет расти и расти. Изображение приобретает видснежинки. Связная линия, составленная из прямых (или криволинейных) участков иназванная кривой Коха, обладает целым рядом особенностей. Прежде всего, онапредставляет собой непрерывную петлю, никогда не пересекающую саму себя, таккак новые треугольники на каждой стороне достаточно малы и поэтому несталкиваются друг с другом. Каждое преобразование добавляет немногопространства внутри кривой, однако ее общая площадь остается ограниченной ифактически лишь незначительно превышает площадь первоначального треугольника.И, кроме того, кривая никогда не выйдет за пределы окружности, описанной околонего. Кривая Коха бесконечной длины теснится в ограниченном пространстве! Приэтом она представляет собой уже нечто большее, чем просто линия, но все же этоеще не плоскость.

Итак, фракталы – это геометрические фигуры с набором очень интересныхособенностей: дробление на части, подобные целому, или одно и то жепреобразование, повторяющееся при уменьшающемся масштабе. Им присущиизломанность и самоподобие. Фрактальность – это мера неправильности. Например,чем больше изгибов и поворотов имеет речка, тем больше ее фрактальное число.Фракталы могут быть линейными и нелинейными. Линейные фракталы определяютсялинейными функциями, т.е. уравнениями первого порядка. Они проявляютсамоподобие в самом бесхитростном виде: любая часть есть уменьшенная копияцелого. Более разнообразным является самоподобие нелинейных фракталов: в нихчасть есть не точная, а деформированная копия целого. Фракталы описывают весьреальный мир.

Исходя из идеи размерности, Мандельброт пришел к выводу, что ответ навопрос: сколько измерений имеет тот или иной объект, зависит от уровнявосприятия. Например, сколько измерений имеет клубок бечевки? С огромногорасстояния он выглядит точкой, имеющей нулевую размерность. Приблизимся кклубку и обнаружим, что это сфера, и у нее три измерения. На еще более близкомрасстоянии становится различимой сама бечевка, а объект приобретает одноизмерение, но скручен таким образом, что задействуется трехмерное пространство.Под микроскопом обнаружим, что бечевка состоит из скрученных протяженныхтрехмерных объектов, а те, в свою очередь, из одномерных волокон, веществокоторых распадается на частицы с нулевой размерностью. То есть в зависимости отнашего восприятия размерность менялась так: нулевая – трехмерная – одномерная –трехмерная – одномерная – нулевая.

Физические системы с фрактальной структурой обладают уникальнымисвойствами. Фракталы иначе рассеивают электромагнитное излучение, по — другомуколеблются и звучат, иначе проводят электричество т.д.

Как ни парадоксально, открытие фрактальных множеств не только установилосуществование непрогнозируемых процессов, но и научило человека ими управлять,поскольку неустойчивость хаотических систем делает их чрезвычайно чувствительнымик внешнему воздействию. При этом системы с хаосом демонстрируют удивительнуюпластичность. Дерево растет и ветвится вверх, но как точно изогнутся его ветви,никто не скажет. Вот почему говорится, что мир создан из хаоса.

Основные понятия темы:

Самоорганизация — процесс самопроизвольного формирования структуры болеесложной, чем первоначальная.

Хаос – состояние, в котором случайность и беспорядочность становятсяорганизующим принципом.

Порядок – организованность системы.

Равновесная термодинамика изучает замкнутые системы, в которых процессыпроисходят в сторону возрастания энтропии, т.е. образованию беспорядка.

Неравновесная термодинамика изучает открытые сложно организованныесистемы, в которых происходит самоорганизация.

Аттрактор — конечное состояние или финал эволюции диссипативной системы.

Диссипативные системы – системы, полная энергия которых при движенииубывает, переходя в другие виды движения, например, в теплоту.

Точка термодинамического равновесия – состояние с максимальной энтропией.

Флуктуации – случайные отклонения системы от некоторого среднего положения.

Открытая система – система, которая обменивается со своим окружениемвеществом, энергией или информацией.

Тема 9. Микромир. Квантовая физика

 

1.Открытие микромира. Принципы квантовой физики

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX – начала ХХ вв.обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновымисвойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришелк выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах инепрерывно, а лишь определенными порциями – квантами.

Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.

Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучениевообще и обосновал новое учение о свете – фотонную теорию. Структура светаявляется корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенныхместах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру – поток световых квантов,т.е. фотонов. Фотон – особая частица (корпускула). Фотон – квант энергиивидимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременносвойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, приопределенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объяснялаявление фотоэлектрического эффекта – выбивание из вещества электронов поддействием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотойволны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получилв 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтвержденачерез 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.

Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновыесвойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные – при фотоэффекте.

Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе2 постулата:

1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов,движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.

2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое,атом излучает или поглощает порцию энергии.

Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронныеатомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с даннымиэкспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствамиэлектронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и неточка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от егосостояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которымдвижутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзяпонимать буквально. (Это – аналогия отношений, а не предметов.) Вдействительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме неравномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- тоточках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая,которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представитьпроцессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическаяфизика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя»высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингери английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволилапостроить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в ихединстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовоймеханики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей,сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора.Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которыхместоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение,нельзя одновременно знать оба параметра – координату и скорость, то естьневозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятиечастицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу,они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре­чиякорпускулярно-волновых свойств микрообъектов – это результат неконтролируемого взаимодействиямикрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя какволны, в других – как частицы. Из-за соотноше­ния неопределенностей корпускулярнаяи волновая модели описания кванто­вого объекта не противоречат друг другу, т.к.никогда не предстают одновре­менно. Таким образом, в зависимости отэксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую,но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получитьего общую картину.

2.Классификация элементарных частиц

Проникновение в микромир связано с открытием элементарных частиц: в концеХ1Х в. был открыт электрон, в начале ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.После второй мировой войны стали использовать ускорители, создаю­щие условиявысоких энергий и огромных скоростей, и установили существова­ние более трехсотэлементарных частиц. Исторически сложившийся термин «элемен­тарные» продолжаетиспользоваться, хотя его условность давно осознали.

Характеристики элементарных частиц: масса, заряд, время жизни, спин иквантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению кмассе покоя электрона. Не имеет массы покоя только фотон. По массе покоячастицы делятся на лептоны (легкие частицы: электрон и нейтрино); мезоны(средние частицы: масса от одной до тысячи масс электрона); барионы (тяжелыечастицы: масса свыше тысячи масс электрона, в состав которых входят протоны,нейтроны, гипероны и многие резонансы). Частицы имеют положительный,отрицательный или нулевой заряд. Каждой частице соответствуют античастицы спротивоположным зарядом (кроме фотона и двух мезонов). В 60-гг. ХХ в. появиласьгипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом – кварков. Повремени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильнымотносятся фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон, они играютважнейшую роль в структуре макромира. Все остальные частицы относятся к нестабильным,они существуют около 10-10– 10-24 сек., а потомраспадаются. Резонансами называются частицы со временем жизни 10-23– 10-22 сек. Эти частицы распадаются еще до того, как покинут атомили ядро. Спин (от англ. – волчок, вращение) – собственный момент количествадвижения частиц. Свобода и поведение частиц существенно зависит от того, целоеили полуцелое значение имеет спин.

Исходя из значения спина, элементарные частицы делятся на две группы: сполуцелым спином – фермионы (электрон, протон, нейтрон; поля фермионов остаютсяквантованными и обеспечивают переход в частицы); с целочисленным спином –бозоны (фотон, спин =1; поля бозонов переходят в классические поля, например,электромагнитное поле – свет, радиоволны). Фермионы образуют атом вещества,бозоны образуют излучение.

Фермионы делятся на класс лептонов и класс кварков. Лептоны включают 6частиц и 6 античастиц (электрон, мюон, тау-лептон, 3 вида нейтрино). Лептоныиграют важную роль в структуре мира. Кварки – электрически заряженные частицы,обладают «ароматом» и «цветом». Это – квантовые числа, выражающие определенныесостояния частицы. Поскольку электрические заряды кварков имеют дробныезначения, их экспериментальные поиски оказались безуспешными. Возниклопредположение, что существование в природе дробного заряда возможно приусловии, что кварки образуют связанные объединения, в которых суммарныйэлектрический заряд равен либо 0, либо 1.

Кварки группируются по 2, 3 частицы, образуя адроны. Адроны делятся на 3группы: барионы (комбинации из 3-х кварков), сюда относятся протон и нейтрон –фундаментальная основа атомных ядер; мезоны (сочетание кварка и антикварка),третья группа содержит частицы, образованные сочетанием трех антикварков, сюдаотносятся антипротон и антинейтрон, т.е. то, что составляет основуантивещества. Адроны – лишь небольшая часть всех образующихся из кварковчастиц. Большую часть их составляют резонансы (нестабильные частицы).

3.Фундаментальные физические взаимодействия

К настоящему времени известны четыре основных вида фундаментальныхвзаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер нарасстоянии порядка 10-13 см, обеспечивает связь нуклонов в ядре иопределяет ядерные силы. Поэтому атомные ядра очень устойчивы, разрушить ихтрудно. (Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене виртуальнымичастицами, т.е. частицами, которые существуют в промежуточных, имеющих малуюдлительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение междувременем, импульсом и массой). Ядерная сила действует только между адронами(например, протон и нейтрон, составляющие ядро атома) и внутри адронов – междукварками, она не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц.

Слабое взаимодействие — короткодействующее, происходит между различнымичастицами на расстоянии 10-15 — 10-22 см. Оно связано сраспадом частиц в атомном ядре, например, нейтрон в среднем за 15 мин.распадается на протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильныименно благодаря слабому взаимодействию. Слабая сила действует между лептонами,лептонами и адронами или только между адронами, ее действие тоже не зависит отэлектрического заряда.

Электромагнитное взаимодействие почти в 1000 раз слабее сильного, зато болеедальнодействующее. Оно свойственно электрически заряженным частицам, а егоносителем является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля.Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атома, отвечает забольшинство физических и химических явлений и процессов, им определяетсяагрегатное состояние вещества и др.

 Гравитационное взаимодействие является самым слабым, имеет решающеезначение в космических масштабах и неограниченный радиус действия.Гравитационное взаимодействие универсально, оно заключается во взаимномпритяжении и определяется законом всемирного тяготения.

Взаимодействие элементарных частиц происходит при помощи соответствующихфизических полей, квантами которых они являются. Низшее энергетическоесостояние поля, где отсутствуют кванты поля, называется вакуумом. Приотсутствии возбуждения поле в вакууме не содержит частиц и не проявляетмеханических свойств, но при возбуждении в нем появляются соответствующие кванты,при помощи которых происходит взаимодействие. Существует гипотеза о наличииквантов гравитационного поля – гравитонов, но экспериментально она пока не подтверждена.

Квантовое поле является совокупностью квантов и носит дискретныйхарактер, т.к. все взаимодействия элементарных частиц происходят квантованнымобразом. В чем тогда проявляется его континууальность (непрерывность)? В том,что состояние поля задается волновой функцией. С наблюдаемыми явлениями онасвязана не однозначно, а через понятие вероятности. При проведении целогокомплекса опытов в итоге получается картина, которая напоминает результатволнового процесса. Микромир парадоксален: элементарная частица может бытьсоставной частью любой другой элементарной частицы. Например, после столкновениядвух протонов возникает много других элементарных частиц, в том числе протонов,мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» объяснил Гейзенберг: присоударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаеммножественное рождение частиц.

Пока еще не существует удовлетворительной теории происхождения иструктуры элементарных частиц. Многие физики думают, что создать ее можно приучете космологических причин. Исследование рождения элементарных частиц извакуума в электромагнитных и гравитационных полях имеет большое значение, таккак здесь проявляется связь микро — и мегамиров. Фундаментальные взаимодействияв мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения.

Основные понятия темы:

Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.

Фотон – квант электромагнитного поля.

Фотоэффект – выбивание из вещества электронов под действиемэлектромагнитных волн, определяется частотой волны.

Принцип соотношения неопределенностей (Гейзенберг): в квантовой механикенет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бывполне определенное значение.

Принцип дополнительности (Бор): понятие частицы и волны дополняют другдруга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющимикартинами происходящего.

Спин – собственный момент количества движения частицы.

Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер,обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы.

Слабое взаимодействие – короткодействующее, связано с распадом частиц ватомном ядре.

Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженнымчастицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон.

Гравитационное взаимодействие универсально и определяется закономвсемирного тяготения.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуюткванты.

Тема 9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции

 

1.Основные космологические модели Вселенной

Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую всенебесные тела, диффузную (диффузия – рассеяние) материю, существующую в видеразобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований –гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.

Космология – наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяетсяот философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космологияосновывалась на следующих постулатах:

·       Вселеннаясуществовала всегда, это «мир в целом» (универсум).

·       Вселеннаястационарна (неизменна), изменяются только космические системы, но не мир вцелом.

·       Пространство ивремя абсолютны. Метрически пространство и время бесконечны.

·       Пространство ивремя изотропны (изотропность характеризует одинаковость физических свойствсреды по всем направлениям) и однородны (однородность характеризуетраспределение в среднем вещества во Вселенной).

Современная космология основана на общей теории относительности и поэтомуее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.

В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красногосмещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра,что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея онестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 – 1925)впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, адолжна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулисьпроблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующийэтап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова(1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разныхстадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт –остаток далекого прошлого).

Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представлениео ее нестационарном, изотропном и однородном характере.

По способу существования – модель «расширяющейся Вселенной» и модель«пульсирующей Вселенной».

В зависимости от кривизны пространства различают – открытую модель, вкоторой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутаябесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в нейВселенная конечна, но неограниченна, безгранична.

Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породилнесколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, еслиВселенная бесконечна, то она конечна.

1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечнойпротяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удалениетуманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории«красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышатьскорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростьюраспространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большейскоростью.

2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис обесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно законуосвещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света помере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречитэмпирическим данным.

3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное числокосмических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит кбесконечному ускорению, что не наблюдается.

4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть»Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению собратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическомуравновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временнойструктуры Вселенной.

2.Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»

С глубокой древности и до начала XX века космос считали неизменным. Звездный мир олицетворялсобой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимойчасти Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя этотпроцесс расширения в прошлое, ученые сделали вывод, что 15-20 миллиардов летназад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства прибесконечно большой плотности («точка сингулярности»), а вся нынешняя Вселеннаяконечна, т.е. обладает ограниченным объемом и временем существования.

Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается смомента, когда произошел «Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояниесингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория»Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюциюВселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения.Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала — физического описания сингулярности.

Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась вусловиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условияхарактеризуются наличием высокой температуры и высокого давления всингулярности, в котором была сосредоточена материя.

Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет.Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус былблизок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малыхмасштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные дляэлементарных частиц квантовые закономерности.

Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состоянияв результате Большого взрыва, который заполнил все пространство. Возниклатемпература 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существоватьмолекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц,среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны, и меньшебыло протонов и нейтронов. В конце третьей минуты после взрыва температураВселенной понизилась до 1 млрд. град. по Кельвину. Стали образовываться ядраатомов – тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этомувремени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколькосотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуяводородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в1965 г. – излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когдаеще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессеэволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х.Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационнаянеустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любомобъеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из нихпотом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, аиз них возникли протозвезды. Этот процесс продолжается и в наше время. Вокругзвезд сформировались планетные системы. Данная модель (стандартная) Вселеннойне является достаточно обоснованной, остается много вопросов. Доводами в еепользу являются лишь установленные факты расширения Вселенной и реликтовое излучение.

Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модельэволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1сек. – 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые птицы 27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно в 22 час. 30 мин.

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальнаятемпература внутри сингулярности была больше 10 13 по шкале Кельвина(в которой начало отсчета соответствует – 2730С). Плотностьвещества примерно 10 93 г/см3. Неизбежно должен былпроизойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается,что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождалсясначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственнопостепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судято состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрываплотность вещества упала до 1010 г/см3. В этих условиях врасширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны,электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количествонуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращенияпар электрон+позитрон в фотоны и обратно – фотонов в пару электрон+позитрон. Ноуже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химическиеэлементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникаютатомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они сталиизлучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесснаблюдается в виде реликтового излучения (остаток от той далекой поры образованиянейтральных атомов водорода и гелия).

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессыразрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур,что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когдатемпература после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовалав основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловомравновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Междучастицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны,а из фотонов – электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение веществав излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняетсясимметрия между веществом и излучением.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселеннойи соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерныечастицы – протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевесвещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этогоизлишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство иразнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразныхгорных образований, планет, звезд и галактик.

Итак, 15-20 миллиардов лет – примерный возраст Вселенной. Что же было дорождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологииутверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность).Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушенои произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».

Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновенияиз «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само пониманиевакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. Наисходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождатьчастицы из вакуума.

 Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы удревних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» вмомент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.).Когда Вселенная возникает опять, «материя, — писал он, — вновь получает бытие,образуя тела ...».

Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселеннаяразмером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, котороепродолжалось всего 10-30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны,материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видитстановление Вселенной современная космогония.

 Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А.Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическоеподтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движениегалактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуянекоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжатьсянеограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать,стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была быпроходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии — еслисредняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критическойвеличины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр.Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника,исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитатьсреднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критическоймассе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.

Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновскихизлучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимаетсяоптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существованииже этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности,гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик,движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр»,масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтриноили других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черныедыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10раз больше массы самих галактик.

Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принятосчитать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими былиполучены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массойпокоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино воВселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездахи галактиках.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширениеВселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процессобратится вспять – галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку.Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, чтоастрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».

Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют вкосмосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они несмогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когдаВселенная начнет сжиматься.

Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводятаналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы,находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свойход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда жезвезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки наусловных часах двинутся в противоположную сторону — время пойдет обратно. Новсего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, незаметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдатьсо стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселеннаяединственная и нет ничего вне ее — ни материи, ни времени, ни пространства, — то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когдавремя изменит ход и потечет вспять.

Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной ужепроизошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своейгибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие этумысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходнуюточку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв»,праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнутгалактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическаямодель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и«схлопывающейся» Вселенной.

Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение,что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращатьсяк своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершаяего новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетамсоответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующейВселенной». Но что важно — Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линиивремени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений игибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.

А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной?Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатияв течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызватьтревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла,сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще вдесять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небоневыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десятимиллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» изизлучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», ночто, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвеннымподтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо«Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это,оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск«мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новаяВселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы сдвух сторон — из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную инас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности,но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц.Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».

 Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, тоне исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею,как он заполнен, материей, составляющей его.

Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?

Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.

Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физическихобоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета,чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности былите же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будутотличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствиисоздать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл зациклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни.Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения«прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникаетжизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения,наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (дажебесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».

3.Антропный принцип

Современная наука выдвинула антропный космологический принцип, которыйзаключается в том, что жизнь во Вселенной возможна лишь при тех значенияхуниверсальных физических констант, которые имеют место в действительности. Этотпринцип расшифровывается как «тонкая подстройка» Вселенной: если бы значенияфизических констант отклонялись бы от существующих, возникновение жизни было быневозможно в принципе. Значит, возможность жизни заложена в начальныхфизических условиях существования Вселенной.

В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению константпросто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемуюконстанту сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселеннаясостояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.

Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительноудобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдательне мог бы и возникнуть. В этом и заключается так называемый «антропныйпринцип», сформулированный Б. Картером в форме афоризма: «Я мыслю,следовательно, мир таков, какой он есть». На волне дискуссий о правомерностиэтого принципа появилось множество его разнородных формулировок. Обычно говорято слабой и сильной версиях антропного принципа, отличающихся весьма значительнодруг от друга. Суть слабой версии состоит в следующем: «То, что мы ожидаемнаблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашегосуществования как наблюдателей» (Б. Картер). Здесь самим своим существованиемнаблюдатель ограничивает предмет наблюдения.

Сильная версия антропного космологического принципа постулирует, чтобиологический отбор фундаментальных констант определяет специфику и структуруВселенной, что возникновение Вселенной в значительной мере детерминированосуществованием человека. Сильного принципа придерживаются Б. Картер, Ф. Холл,Б. де Витт. Американский физик Дж. Уиллер развивает антропный принцип в егосильной версии в рамках концепции «о соучаствующей Вселенной»: «Человек непросто наблюдает Вселенную, а придает ей существование». Эту концепцию ониллюстрирует явлением поляризации фотона, порожденного в самый ранний периодсуществования Вселенной после Большого взрыва.

Основной недостаток антропного принципа заключается в том, что из него невыводится какой-либо предсказательный факт, позволяющий сохранить теорию или отброситьее. Физики очень надеются на то, что в будущем, в рамках теоретической физикибудут найдены способы объяснения совпадения чисел без привлечения биологическогофакта существования живых существ и человека.

4.Строение и эволюция галактик

В конце XIX века границы разведанной Вселеннойраздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие думали тогда, чтоэта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.

Из чего же состоит Вселенная? Хорошо видимая на ночном небе полоса, густо усеянная звездами, — Млечный путь — представляет собой«вид в профиль» нашей галактики, той к которой принадлежит Солнце. Кроме Солнца, в нее входит еще порядка 150 миллиардов звезд.Галактика огромна,и межзвездные расстояния намногопревосходят размерысамих звезд.Но наша галактика не единственна. Существует множество других,столь же гигантских, образующих Метагалактику — всю наблюдаемую Вселенную.

Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:

эллиптические, сфероиды различной сплюснутости, состоящие в основном из старыхзвезд;

спиральные, в «рукавах», которых находятся молодыезвезды;

неправильной формы.

Все они образовались из протооблаков межзвездного вещества, обладающих различными массамии различными моментами количества движения — характеристикой, показывающей, как двигались различные части облаковотносительно друг друга. В центрах галактик находятся ядра — компактные скопления огромного количества звезд, выделяющих гигантские энергииво всех диапазонах длин волн.

Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто.В каждомкубическом сантиметре межзвездного пространства в среднемнаходится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток,то о такой области пространства говоряткак об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметнона окружающем фоне. Для сравнения: в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 1019 атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшемвакууме, которыйможет быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 105 атомов.

В 1963 году были обнаружены загадочные объекты – квазары, представляющие собой чрезвычайно компактные образования, размером со звезду,но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону,что говорито том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далекоот нашей галактики).

Основная космологическая проблема — откуда же взялосьпервоначальное облакомежзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, — остается по-прежнему загадочной. Утверждение «Вселенная существовала всегда»оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает так называемый фотометрический парадокс: ночноенебо должносиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место «красное смещение». И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, говорить о том, что равномерное распределение вещества сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом,Вселенная эволюционирует. В результате БольшогоВзрыва образовались протоны, электроны и другиеэлементарные частицы.Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привелок тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом свидетельствует существование так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадиюразвития Вселенной и наблюдаемого сейчас в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любогонаправления. Частицыстремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака,звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтезатяжелых элементов. Что же дальше? Все зависит от того, каковасредняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модельзамкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через25 млрд. лет) и начнется сжатие,в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньшекритической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через1015 лет звездыостынут, через1019 они покинутсвои галактики, еще через невообразимо большиепромежутки времени(если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо,еще гораздопозже железные «капли» превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данныеуказывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

5.Строение и эволюция звезд

Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд,можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд.Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы,связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой областипространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массамвходящих в облако атомов (в основном атомовводорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицысближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический «ком» начинает понемногу вращаться, растети сила притяжения, ведь теперь масса «кома» велика.Все большеи большечастиц захватывается, все большеплотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубинерастет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоитдело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой- несколько миллионов градусов, — что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядернойреакции синтеза:водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино — элементарных частиц,выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит(силой светового давления, впервыеизмеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию.Наконец, сжатиепрекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой.Чтобы пройтиэту стадиюсвоей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса большесолнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд,массы которыхменьше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды- образующиеся вблизидруг друга и вращающиеся вокругобщего центра.Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением моментаколичества движения исходного облака.Если у такой пары образуется планетная система, то движение планетможет быть довольно замысловатым, а условияна их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планетына орбитепо отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд(и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем.Обычные, одинарные звезды в процессе своегообразования начинают вращаться вокругсвоей оси.

Другой важной характеристикой является радиусзвезды. Существуют звезды — белые карлики, радиускоторых не превышает радиусаЗемли, существуют и такие- красные гиганты,радиус которыхдостигает радиусаорбиты Марса.Химический составзвезд по спектроскопическим даннымв среднемтакой: на10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звездыявляется в основном водородно-гелиевой плазмой- в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического составаисходного облаказависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды. Светимость звезды – это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, которыйв свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом «синие»звезды более горячие, чем «красные», а наше «желтое»Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка6000 градусов. Традиционно спектральные классыот горячихк холодным обозначаются буквамиO, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила «O, Be A Fine Girl, Kiss Me»), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный классG2.

По мере «выгорания» водорода в центре звезды ее масса немногоменяется. Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперьтолько в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звездав целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда превращается в так называемый «красныйгигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гигантадостигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза — превращение гелия в углерод. Когда и эта реакцияисчерпает себя, происходит сброс оболочки — существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звездыоказываются «снаружи»,и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячаяплотная звезда.Медленно остывая,она превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя,вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых — катастрофические события,ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергиибольше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен теперькак Крабовидная туманность, «медленное» распространение которойпо небу наблюдается в последние 300 лет. Скорость разлетаее газов в результате взрывасоставляет порядка1500 м/с, но она находится очень далеко.Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время,когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне – эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «краснымгигантом» превосходит массу Солнца в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтомуона так и называется — нейтронная звезда. Согласно этой концептуальной модели у нейтронной звездыимеется сильноемагнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью — несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары — точечные источники импульсного радиоизлучения высокойстабильности — обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд.Наблюдаемое явлениеподтвердило концепцию.

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатиенеудержимо сжимаетвещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку.Это явлениеназывается гравитационным коллапсом, а его результат – «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика,силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность чернойдыры, но даже свет — электромагнитный сигнал- не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к чернойдыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от чернойдыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокругнее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту,так и классическим представлениям, согласно которымсвет распространяется прямолинейно. Однаков пользусуществования черныхдыр говоритцелый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.

6.Происхождение и строение Солнечной системы

В Солнечную систему входит Солнце, девять больших планет с их 34 спутниками,более 100 000 малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, атакже бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел(поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение вСолнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 разпревосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационноепритяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всехвращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца досамой далекой от него планеты Плутон составляет 39,5 а. е., то есть 6млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд.Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 1015 а. е. иподвергаются воздействию притяжения звезд.

Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность –промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерностидвижения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствамуказывают на то, что Солнечная система не является случайным собраниемкосмических тел, а возникла в едином процессе. Поэтому изучение любого из телСолнечной системы проливает свет на происхождение всей Солнечной системы, авместе с тем и на происхождение, эволюцию и современное строение нашей Земли.

Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткаммежду ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которыхони могли бы существенно изменять свое движение в результате взаимныхпритяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.

Все большие планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер,Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнца в одном направлении (внаправлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, малонаклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты – эклиптикапринимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и другихтел, обращающихся вокруг Солнца. Планеты вращаются также вокруг своей оси,причем у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямомнаправлении, то есть в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца.Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уранвращается как бы лежа на боку.

Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеютмножество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутникидвижутся по орбитам, на столь близко расположенным к планете, что ее приливнаясила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбитныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитамиМарса и Юпитера.

Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что ибольшие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскостиэклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим.Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров –в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими,преобладают прямые движения, то есть движения в направлении обращения планет.

Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментомколичества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движениемпланет вокруг Солнца, причем массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращениеСолнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя массаСолнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД междуСолнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерамипланетной системы – ее поперечник в несколько тысяч раз больше поперечникаСолнца. Момент количества движения планеты приобрели в процессе своеговозникновения: он перешел к ним от того вещества, из которого они образовались.

Основная масса вещества, движущегося вокруг Солнца, содержится в девятибольших планетах. К их числу принадлежит и наша Земля. Планеты делятся на двегруппы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различияхих плотности), скорости вращения и количеству спутников. По своим физическимхарактеристикам они делятся на планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марси планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Данных о девятой планете –Плутоне – пока мало, но уже ясно, что ее нельзя отнести ни к одной из этихгрупп.

Планеты земной группы (как и наша планета) состоят из оксидов и другихсоединений тяжелых химических элементов: железа, алюминия и других металлов, атакже кремния и других неметаллов. Из всех химических элементов преобладаеткислород, входящий в состав большинства соединений. Планеты-гиганты состоят восновном из водорода и гелия, а также таких соединений, как метан и аммиак.Химический состав этих планет близок к среднему химическому составу Солнца, вкотором преобладают наиболее просто устроенные атомы водорода и гелия.Планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – гораздо массивнее, состоят восновном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в ихнедрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массысоставляют водород и гелий. В них содержится также до 20% каменистых веществ илегких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низкихтемпературах конденсироваться во льды. У Урана и Нептуна льды и каменистыевещества составляют главную часть их массы.

Недра планет и некоторых крупных спутников (например, Луны) находятся враскаленном состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малойтеплопроводимости наружных слоев внутреннее тепло очень медленно просачиваетсянаружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. Упланет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла изнедр, превосходящему поток, получаемый ими от Солнца.

Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов,выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собойнепосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкойповерхности. При погружении внутрь атмосферные газы постепенно переходят вконденсированное состояние.

Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам-гигантам:они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистыхвеществ. Почти все малые планеты по своему составу относятся к каменистымпланетам земной группы. Только недавно открытый астероид Хирон, движущийся восновном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комети небольшим спутникам далеких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиесяпри их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов.У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра прогревалисьзначительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастуюпретерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерениявозраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов ихраспада) показали, что они, а, следовательно, и вся Солнечная системасуществует около 5 млрд. лет. Этот возраст Солнечной системы находится всогласии с измерениями возрастов древнейших земных и лунных образцов.

Динамические и физические особенности строения Солнечной системыуказывают на то, что планеты сформировались из газопылевого вещества, некогдаобразовавшего протопланетное облако вокруг Солнца. Планеты земной группыобразовались в результате аккумуляции каменистых твердых частиц, а упланет-гигантов образование началось с аккумуляции каменисто-ледяных частиц, апотом на некотором этапе их роста дополнилось присоединением газов, в основномводорода и гелия.

Согласно современным представлениям, все тела, обращающиеся вокругСолнца, имеют общее происхождение. Они возникли в ходе продолжавшегосянесколько миллиардов лет процесса эволюции огромного первоначально холодногогазопылевого облака, частицы которого двигались по самым разнообразным орбитамвокруг Солнца, находившегося тоже в стадии формирования.

Столкновение частиц и обмен энергией между ними приводили к изменению ихорбит и формы облака в целом. Орбиты частиц становились круговыми, а облакопостепенно сплющивалось. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие, и этисгустки образовывали вокруг Солнца диск, толщина которого была в тысячу разменьше его диаметра.

В первоначально однородном по своему составу облаке происходилоодновременно перераспределение вещества. Сильный нагрев облака вблизи Солнцапривел к тому, что наиболее распространенные в нем водород и гелийулетучивались на окраины, а в его центральной части остались только твердыетугоплавкие частицы. Из них-то и образовались планеты земной группы. В удаленныхот Солнца частях газопылевого облака царила низкая температура, поэтому газыздесь намерзали на твердые частицы. Планеты-гиганты образовались из этоговещества, в составе которого преобладает водород и гелий.

В планетах на протяжении миллиардов лет происходили процессырасплавления, кристаллизации и другие физико-химические процессы, которыезначительно изменили первоначальный состав и строение вещества, из которогообразовались все ныне существующие тела Солнечной системы.

Далеко не все сгустки выросли в планеты. Многие остались в Солнечнойсистеме в виде астероидов, и более мелких метеоритных тел. На окраинахСолнечной системы эти сгустки в виде ледяных глыб существуют до сих пор. В этомкосмическом холодильнике в виде ядер комет сохранилось в неизменном видевещество допланетного облака.

Современная наука решительно отвергает допущение о случайном образованиии исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономияприводит серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд.Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаруженоизбыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокругтаких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапомформирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабыепериодические изменения скорости движения 16 звезд. Такие изменения возникаютиз-за возмущения движения звезды под действием гравитационного связанного с нейтела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данныхпоказала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают наналичие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера,по аналогии с Солнечной системой указывает на большую вероятность существованияи семейства более мелких планет.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, такженет общепризнанных заключений. Сегодня существует много гипотез о происхожденииСолнечной системы. Согласно одной из самых интересных версий (Х. Альвена и Г.Аррениуса) Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад. ПричемСолнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Солнечная системавозникла из продуктов жизнедеятельности звезд предыдущего поколения,скапливавшихся в газопылевых облаках. Авторы исходили из предположения, что вприроде существует единый механизм планетообразования, действие которогопроявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появленияпланет-спутников около планеты. К моменту, когда начали образовываться планеты,центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему,центральное тело должно обладать магнитным полем, а пространство в егоокрестностях должно быть заполнено разряженной плазмой. Без этого процесс планетообразованияневозможен.

Солнце имеет магнитное поле. Источником плазмы служила корона молодогоСолнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группыпрактически погружены в разряженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доноситее частицы и к более далеким планетам.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образованииСолнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Онисчитают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем кнему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощноегравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых ипылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областьюобразования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнегоизучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаруженыотклонения в изотопном составе тех же элементов на Солнце. Отсюда следует, чтоосновная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевогооблака, из которого и образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества сдругим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и онапослужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешениедвух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положилоначало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитныммоментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбитыМеркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженнуюнамагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы,но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигалиорбиты современного Плутона. Токи в них существовали в сотни миллионов ампер ибольше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникалиразрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму напути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной инеравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы веществапод действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне ониионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разныхрасстояниях от центрального тела, т.е. с самого начала имела местодифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. Вконечном счете, выделилось 3-4 концентрических области, плотность частиц вкоторых примерно на 7 порядков превышала плотность таких же частиц впромежутках. Это объяснило тот факт, что вблизи Солнца расположены планеты,которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5г/см3), а планеты-гиганты имеют намного меньшую плотность (1 – 2г/см3). Метеориты и кометы формировались на окраине Солнечнойсистемы за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала особаяплазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, вкоторых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частицпривело в этих областях к единственно возможному результату – к образованию каменныхтел.

Сегодня есть уникальные сведения о планетных системах Юпитера, Сатурна,Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них иу Солнечной системы как целого.

Совсем недавно появилась еще одна версия происхождения Солнечной системы,согласно которой все тела, вращающиеся вокруг Солнца: планеты, кометы,астероиды, метеориты в разное время рождены в плазме Солнца и им же выведены наорбиты.Планеты выводились Солнцем на первоначальные (околосолнечные) орбитычерез временные интервалы 1,2–1,7 млрд. лет в виде плотных слоистых сфер,имеющих температуру внутри, близкую к абсолютному нулю. Слои сферы были сложеныатомами химических элементов: каждому слою соответствовал тот или инойхимический элемент. Сферы имели горячую плазменную атмосферу и собственноесвечение.

Орбиты планет не замкнутые, а спиралевидные, т.е. все планеты удаляютсяот Солнца. Рожденные первыми Нептун и Плутон, имеющие возраст около 12 млрд.лет, успели удалиться на окраину Солнечной системы, а молодой Меркурий, возрасткоторого 1,7 млрд. лет, вращается относительно недалеко от Солнца. Возможно,существует совсем юная планета, имеющая возраст десятки тысяч лет. Ее орбитанаходится в непосредственной близости от Солнца внутри его короны. Юная планетаневелика, обладает собственным свечением, возможно, такой же яркости как Солнцеи поэтому на фоне Солнца заметить ее довольно сложно.

Спутники планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна – рождены ивыведены на орбиты самими планетами. То есть спутники названных планет – это«внуки» Солнца. Удаляются от Солнца, обращаясь по более сложным, но незамкнутым, орбитам и остальные тела Солнечной системы. Кометы, имеющиепараболические орбиты, скорее всего, пришельцы из других звездных систем.

Дифференциация химического состава планет позволяет предположить, что впроцессе образования химических элементов в плазме Солнца должна существоватьнекоторая эволюционная периодичность, направленная от простых элементов к болеесложным. Рождение планеты соответствует завершению образования химическихэлементов того или иного периода периодической системы Менделеева. Рожденные первымивнешние планеты (Плутон, Нептун, Сатурн, Юпитер) сложены химическими элементами1–4-го периодов. Элементов более высоких периодов во время их образования наСолнце еще не было. Земля родилась 7-ой по счету, если считать Нептун и Плутон,родившимися совместно. Поэтому в химическом составе Земли наблюдается 7периодов элементов. Марс был рожден шестым, поэтому в его химическом составедолжны отсутствовать все элементы 7-го периода или частично, например, уран. Поэтой же причине, возможно, что на Венере, Меркурии и Юной планете могут бытьновые более сложные и тяжелые элементы с порядковыми номерами значительно вышеурановых.

Земля зародилась в плазме Солнца и выведена им на околосолнечную орбитуболее 4,5 млрд. лет назад. Новорожденная была довольно шустрой. Она облеталавокруг Солнца примерно за 8 часов, а на оборот вокруг своей оси затрачивалаоколо одного часа. Юная Земля представляла собой сферу радиусом в 1,5–2 разаменьше радиуса современной Земли. Внутри сфера имела тонкослоистое строение,где каждый слой плотностью от 5 до 500 м (всего 150–200 тыс. слоев) был сложентем или иным элементом периодической таблицы Менделеева и имел температуру,близкую к абсолютному нулю. Поверхность Земли имела тонкий расплавленный слой,образовавшийся вследствие разогрева замороженных атомарных слоев и перехода ихв молекулярное состояние еще в плазме Солнца. Поверхностный слой представлял собоймагму основного состава с температурой выше 1500 градусов. У Земли была горячаяплазменная атмосфера, поэтому юная Земля светилась как звезда.

На околосолнечной орбите под действием мощных центробежных сил, имевшихместо вследствие быстрого осевого вращения Земли, часть расплавленного слоя ввиде большой капли отделилась от Земли и стала вращаться вокруг нее. Так образоваласьЛуна. За 4,5 млрд. лет Земля и Луна удалились по спирали от Солнца и занялипредопределенные им законом тяготения современные орбиты. Луна за это времяизменилась не сильно. Она лишь остыла и увеличила околоземный радиус орбиты. Внастоящее время Луна представляет собой практически однородную сферу,выполненную магматическими породами основного состава. В ядре Луны не исключеноприсутствие еще не остывшей расплавленной магмы также основного состава.

Основные понятия темы:

Вселенная – (1) весь существующий материальный мир, безграничный вовремени и пространстве, и бесконечно разнообразный по формам, которые принимаетматерия в процессе своего развития.

 – (2) часть материального мира, которая доступна исследованиюастрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развитиянауки.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние вкотором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов– миллионами и миллиардами лет.

Космогония – учение о происхождении и эволюции космических тел и ихсистем.

Космология – учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании тойее части, которая доступна для астрономических наблюдений и других способов ееизучения.

Сингулярность – начальное сверхплотное состояние Вселенной.

Галактика – гигантские (до сотен миллиардов звезд) звездные системы.

Звезда – самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов.

Протозвезда – обособившиеся из газопылевого облака в результате егогравитационной неустойчивости плотной конденсации вещества, в недрах которыхеще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций –основного источника энергии звезд.

Белые карлики – звезды, отличающиеся большой плотностью вещества, имеющиеразмеры и светимость, в сотни и тысячи раз меньшие, чем размеры и светимостьСолнца, и вместе с тем высокую температуру.

Красный гигант – звезда высокой светимости, в сотни и тысячи раз превышающаяразмеры Солнца.

Сверхновая звезда – звезда, излучающая во время вспышки свет в сотнимиллионов раз интенсивнее, чем Солнце.

«Черная дыра» – космический объект, обладающий гигантскими силами тяготенияи ничего из себя не выпускающий.

Квазар – мощный источник космического радиоизлучения, представляет собой,скорее всего, исключительно активные ядра очень далеких галактик.

Пульсар – источник космического радиоизлучения с очень большойстабильностью периода.

Планета – массивное небесное тело шарообразной формы, которое движется вокругСолнца и светит отраженным светом.

Астероид – малые планеты.

Реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близокк спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К.

Световой год – единица для измерения расстояний во Вселенной, соответствуетдлине пути, который проходит свет за 1 год.

Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира

 

1.Развитие представлений о пространстве и времени в истории науки

 

Классическаяконцепция пространства и времени

Пространство и время – основные понятия физики, и в то же времяуниверсалии культуры (выраженные в категориях философии), имеют длительную историю.

Впервые понятие пространства как пустоты появляется у Демокрита.Существуют атомы, и пустота необходима для их соединения и перемещения. Евклидв своем труде «Начала» придал строгую математическую форму пространственнымхарактеристикам объектов. Зарождаются геометрические представления ободнородном и бесконечном пространстве. Птолемей в своем труде «Альмагест»изложил свою геоцентрическую систему, которая господствовала в естествознаниидо XVI века. Это первая универсальнаяматематическая модель мира, где время бесконечно, а пространство конечно, гдепроисходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.Коперник в своей книге «Об обращении небесных сфер» изложил гелиоцентрическуюсистему, которая разрушила прежние представления и направила мысль к пониманиюбезграничности и бесконечности пространства. Джордано Бруно в труде «Обесконечности, Вселенной и мирах» связал воедино бесконечность Вселенной ипространства. Его выводы получили свое обоснование в небесной физике Кеплера иГалилея. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой икоперниковой» Галилей сформулировал два основных принципа механики: принципаинерции и принципа относительности. По существу эти принципы описывают свойствапространства Вселенной. Окончательную формулировку эти принципы получили вмеханике Ньютона. Согласно принципу относительности Галилея все физическиеявления происходят одинаково во всех инерциальных системах, т.е. таких, которыепокоятся или двигаются равномерно и прямолинейно. Законы движения выражаютсяодной математической формой: уравнения движения при переходе от однойинерциальной системы к другой не изменяются, они инвариантны (неизменны) поотношению к преобразованиям координат.

Р. Декарт обосновал единство физики и геометрии, он пришел котождествлению материальности и протяженности. Он ввел систему координат.Галилей и Декарт подготовили математическое и экспериментальное обоснованиесвойств пространства и времени в классической механике.

Ньютон в классической механике представляет новую гравитационную модельВселенной. Она опирается на закон всемирного тяготения. Сила тяготенияуниверсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от ихконкретных свойств. «Математические начала натуральной философии» (1687) почтина 200 лет определили развитие естествознания. Он сформулировал понятиядвижения, пространства и времени:

Пространство является бесконечным, плоским, прямоугольным, эвклидовым,т.е. метрические свойства описываются геометрией Евклида. Пространстворассматривается как абсолютное, пустое, однородное, изотропное и является«вместилищем» материальных тел и не зависимой от них инерциальной системой.

Время – абсолютно, однородно, равномерно текущее, синхронно и однообразново всей вселенной, и как чистая длительность, не зависимо от свойствматериальных объектов.

Эта концепция пространства и времени получила название субстанциональной,в ней пространство и время рассматриваются как самостоятельные сущности.

В XVII в. выдающийся немецкий философ Г.Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени: пространство –порядок сосуществования объектов, время – последовательность их смены. Однакоона не оказала влияния, т.к. была недостаточной для объяснения законов движения.

Поэтому почти двести лет господствовала субстанциональная (классическая)концепция пространства и времени.

Рассмотрим две инерциальные системы:

точка М неподвижна относительно первой системы координат и ее координаты(x, y, z). Вторая системакоординат движется относительно первой в направлении оси x¢ со скоростью v. Уравнения Галилея для случая равномерного движения вдольоси подвижной системы относительно неподвижной имели такой вид:

x¢ = x – vt; y¢ = y; z¢ = z; t¢ = t.

Пример: два наблюдателя, один из которых находится на перроне и неподвижен по отношению к другому. С точки зрения второго наблюдателя первыйдвижется к концу поезда.

Уравнения называются преобразованиями Галилея. Следствием из них являетсяправило сложения скоростей: скорость движения одного объекта относительнодругого является суммой или разностью их скоростей по отношению к неподвижнойсистеме координат.

Опыты по измерению скорости света относительно Земли, проводимые в 1881г. Морли и Майкельсоном, привели к парадоксальному результату, – нарушалосьправило сложения скоростей:

 c + v = c – v = c.

Парадокс был разрешен А. Эйнштейном, который создал специальную теориюотносительности (СТО). В 1905 г. он выступил с докладом «К электродинамикедвижущихся сред». Релятивистская физическая теория наряду с квантовой теориейлегли в основу физики и всего естествознания ХХ в.

СТО базируется на двух постулатах:

Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета(принцип относительности).

Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника иприемника света (принцип постоянства скорости света).

Скорость света – предельная скорость распространения материальных воздействий,по отношению к скорости света все движущиеся тела на Земле имеют скорость,равную нулю.

Эйнштейн использовал преобразования Х.А. Лоренца:

/>.

Выдающийся нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц придумал их в 1904 г.для того, чтобы законы электромагнетизма (уравнения Максвелла) сохранили свойвид при переходе из одной инерциальной системы в другую (ведь явления электромагнетизмане зависят от того, с какой скоростью движется система отсчета). ПреобразованияЛоренца количественно выражают тот факт, что о времени и о пространстве(координатах) нельзя говорить как о независимых друг от друга понятиях.

Эйнштейн доказал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальныеизменения размеров тел при движении (это возможно только в абсолютномпространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системыотсчета. Относительными являются, не только движение, но и пространство и время.

В теории относительности в отличие от второго закона Ньютона, где массасчиталась постоянной, масса зависит от скорости движения:

 />.

Движение тел невозможно со скоростями близкими к скорости света, т.к.масса при этом растет и приближается к бесконечности. Как шутят по этому поводуфизики, можно стать миллионером, разогнав до космической скоростиодну-единственную золотую монету. Только, во-первых, этот миллион уйдет настроительство ускорителя, а во-вторых, полученным богатством при таких скоростяхтрудно будет воспользоваться. Зависимость массы от скорости – это чисторелятивистский эффект. Как и другие релятивистские эффекты, он проявляетсятолько при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Его наблюдают, например,в ускорителях заряженных частиц.

Альберт Эйнштейн объединил своей СТО пространство и время в единыйпространственно-временной континуум. Из этого следует, что положение любоготела определяют четыре параметра (x, y, z, t). Эта теория потребоваладругой геометрии (неэвклидовой) и нашла выражение в 4-хмерном мире ГерманаМинковского. Положение любого объекта описывает мировая линия, котораянаходится внутри конуса, описываемого лучом света.

В 1908 году немецкий математик Г. Минковский, развивая идеи теорииотносительности, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себедолжны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен ещесохранить самостоятельность». Здесь имеются в виду два обстоятельства:

1) относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимостьот выбора системы отсчета; 2) то, что пространство и время тесно связаны междусобой (это главное). Они есть проявления некоторой единой сущности –четырехмерного пространства-времени. Вот этой их неразрывности и не зналапрежняя физика. Что же представляет собой эта неразрывная связь?

Пространственные расстояния можно определять, измеряя время, за котороесвет или вообще любые электромагнитные волны проходят измеряемое расстояние.Это так называемый метод радиолокации. Расстояние измеряется просто умножениемпостоянной скорости С на время прохожденияэлектромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость светапостоянна, и никому бы и в голову не пришло так просто измерять расстояния.

Можно поступить и наоборот: измерять время световым сигналом, пробегающимизвестное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясьмежду двумя зеркалами, отстоящими на три метра друг от друга, то каждый пробегбудет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этотсвоеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долейсекунды прошло.

Понять четырехмерный континуум не трудно, сложно наглядно представитьсебе четырехмерный мир. Очень просто нарисовать плоские геометрические фигурына листе бумаги – они имеют длину и ширину. Гораздо труднее воображатьтрехмерные фигуры в пространстве — пирамиды, конусы, секущие их плоскости ит.д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень труднодаже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности. СтивенХокинг, например, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист втеории относительности так и говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство.Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!». Но при этомспециалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так впространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела. Если погоризонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одномунаправлению, а по вертикальной (оси ординат) — отложить время. Для каждогомомента времени отмечаем положение тела. Если тело покоится, то есть его расположениене меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если телодвижется с постоянной скоростью — мы получим наклонную прямую. При произвольныхже движениях получается кривая линия. Такая линия получила название мировойлинии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только поодному направлению, но и по другим двум в пространстве тоже. Его мировая линиябудет изображать движение тела в четырехмерном пространстве-времени.

Внешне это выглядит как «равноправие» пространства и времени, их значенияпросто отложены по разным осям координат. Но все же разница между ними существенная:в пространстве можно быть неподвижным, а во времени — нельзя. Мировая линияпокоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потокомвремени вверх, даже если оно не движется в пространстве. Мировая линия не можетостановиться, оборваться в какой-то момент, ведь время не останавливается. Покатело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.

Независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретикииспользуют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своихрасчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения итак далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию,подобную геометрии Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерный мир называютпространством-временем Минковского.

В то же время объяснительные и предсказательные функции СТО с точкизрения классических представлений выглядят явно парадоксально. Знаменитые парадоксыСТО:

парадокс одновременности: два события, происходящие одновременно в разныхместах одной системы отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета.

 х1 ¹ х2, t1 = t2, тогда t1 ¹ t2.

/>/>парадокс длины: длина lтела, измеренная в неподвижной системе отсчета, и длина l¢ того же тела, измеренная вдвижущейся системе отсчета, не одинаковы и связаны соотношением: l= l¢ Ö 1-v2/c2

/>парадокс времени: время Dt¢ протекания процесса в движущейсясистеме отсчета и время Dt протекания этого же процесса в неподвижной системе отсчета не одинаковыи связаны соотношением:Dt¢ =DtÖ 1- v2/c2

А. Эйнштейна не покидало чувство незавершенности своей теории: как быть снаблюдателем, находящимся в системе отсчета, движущейся по отношению к другой сускорением, т.е. в неинерциальной системе. Другая проблема возникла при попыткепредставить в рамках СТО тяготение.

Закон тяготения в том виде, как его сформулировал И.Ньютон, несовместим стеорией относительности. В самом деле, согласно утверждению Ньютона сила, скоторой одно тело притягивает другое, обратно пропорциональна квадратурасстояния между ними. Поэтому, если притягивающее тело сдвинется, расстояниемежду телами изменится, и это мгновенно скажется на силе притяжения, влияющейна притягиваемое тело. Таким образом, по Ньютону, тяготение мгновеннопередастся сквозь пространство. Но согласно теории относительности этого бытьне может. Скорость передачи любой силы не может превышать скорость света, итяготение не может передаваться мгновенно.

В 1915 году Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теорииотносительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО).Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокругсебя четырехмерное пространство-время. То, что четырехмерное пространство можетбыть искривленным, теоретически было открыто в начале прошлого века почтиодновременно русским математиком Н.Лобачевским и венгерским математиком Я.Больяй. Немецкий математик Б.Риман стал рассматривать «искривленные»пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любымчислом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства сталиназывать неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, вкаких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадкиоб этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппаратбыл использован при формулировке общей теории относительности.

Итак, согласно основной идее А.Эйнштейна тяготеющие массы искривляютвокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю,«указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратноедействие на пространство, «указывая» ему, как искривляться. В этом объяснениивсе необычно – и неподдающееся наглядному представлению искривленноечетырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготениягеометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается сгеометрией. Знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей эпохе,тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее поддаются нагляднымпредставлениям. Природа в ее нынешнем понимании настолько сложна, что требуетот исследователя все больших усилий, в том числе и богатого воображения. Послесоздания своей теории Эйнштейн указал на эффект замедления времени: в сильномполе тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, чтолюбые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, иботяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы нанекоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.

Итак, ОТО говорит о том, что свойства пространства и времени определяютсядвижением материи, гравитационное поле искривляет пространство и меняет течениевремени. В апреле 1921 г. А. Эйнштейн в интервью для американской газеты«Нью-Йорк Таймс» так пояснил суть своей теории относительности:

«… раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещиисчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительностивместе с вещами исчезли бы и пространство и время».

ОТО – теория, распространяющая принцип относительности на любые системыотсчета и представляющая из себя более общую теорию тяготения, содержит в себетеорию Ньютона как предельный случай. ОТО имеет экспериментальное подтверждениеи является мощным аппаратом в ядерной физике и физике элементарных частиц. Вчастности, такими примерами могут служить полученные при наблюдении солнечногозатмения в 1919 г. и 1921 г. факты искривления светового луча гравитационнымполем, которые оказались близкими к расчетам, полученным на основании ОТО. Атакже открытие в 1929 г. Хабблом так называемого «красного смещения»свидетельствовало о том, что Вселенная не статична, а расширяется.

В космических масштабах геометрия пространства перестала быть евклидовой.Так, если в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет180о, то сумма углов треугольника, изображенного на поверхностисферы, больше 180о, а на седловидной поверхности – меньше 180о.Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностьюположительной кривизны, а поверхность седла – отрицательной. При скоростях,близких к скорости света, при сильном тяготении пространство приходит всингулярное состояние, сжимается в точку. Мегамир через это сжатиевзаимодействует с микромиром и становится во многом аналогичным ему.Классическая механика справедлива как предельный случай лишь при скоростях,намного меньших световой, и при массах, намного меньших, чем в мегамире.

Таким образом, мы еще раз имеем случай убедиться в том, что в развитиинауки было выработано интересное требование: всякая новая теория должнавключать в себя старую (в уточненном виде) для тех условий, при которых онасправедлива. Как говорил А. Эйнштейн, лучший жребий физической теории –послужить основой для более общей теории, оставаясь в ней предельным случаем.

3. Формыпространства и времени

Современная наука использует понятия физического, биологического,психологического и социального пространства и времени. Физическому пространствуи времени приписываются следующие характеристики: всеобщность, т.к. эти формыприсущи всем без исключения материальным объектам на любом уровне, пространствообладает также свойствами протяженности – наличие определенного местоположения,изотропности – равномерность всех возможных направлений, однородности –отсутствие каких-либо выделенных точек, трехмерности; времени приписываютсясвойства длительности – продолжительности существования любого материального объекта,одномерности – положение объекта во времени описывается единственной величиной,необратимости – однонаправленность от прошлого к будущему, однородности –отсутствие каких-либо выделенных фрагментов.

Биологическое пространство-время характеризует особенности существованияорганической материи, для него характерны свойства асимметрии правого и левого;главными характеристиками биологического времени является цикличность(ритмичность), неравномерность – собственное время живых организмовхарактеризуется разным темпом, имеет индивидуальную меру, может убыстряться илизамедляться в зависимости от состояния организма, периода его жизни и т.п. Длячеловека характерно также психологическое время, которое, как и биологическое,обладает неравномерностью, зависящей от состояния человека и происходящихвокруг него событий, темп и плотность психологического времени напрямую связаныс возрастом человека.

Социальное пространство-время не существует вне практической деятельностичеловека, это освоенные человеком сферы, наделенные особым культурным смыслом.

Основные понятия темы:

Пространство – философская категория для обозначения протяженности,порядка сосуществования и структурированности материальных объектов.

Время – философская категория для обозначения длительности,последовательности смены состояний, интенсивности, темпа и ритма существованияматериальных объектов.

Движение – любое изменение и взаимодействие вообще.

Инерциальная система – система, которая покоится или движется равномернои прямолинейно. Уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы кдругой инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.

Неинерциальная система – система, которая движется с ускорением или замедлением.

Принцип относительности – все законы природы одинаковы во всехинерциальных системах отсчета.

Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства ивремени и их зависимость от системы отсчета.

Тема 11. Основные концепции химии

 

1. Химиякак наука, ее предмет и проблемы

Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играетбольшую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современногообщества. К их числу относят:

·         Синтез новыхвеществ и композиций, необходимых для решения технических задач будущего;

·         Увеличениеэффективности искусственных удобрений для повышения уровня урожайностисельскохозяйственной продукции;

·         Синтез продуктов питанияиз несельскохозяйственного сырья;

·         Разработку исоздание новых источников энергии;

·         Охрану окружающейсреды;

·         Выяснениемеханизма важнейших биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях;

·         Освоение огромныхокеанических источников сырья.

Все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленныев форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д. объединяетодна-единственная непреходящая, – главная задача химии – задача получениявеществ с необходимыми свойствами.

Существует множество определений химии. Ее называют, во-первых, наукой охимических элементах и их соединениях; во-вторых, наукой о веществах и ихпревращениях; в-третьих, наукой о процессах качественного превращения веществ.Они слишком кратки и не дают полного ответа. Определяя химию как науку, следуетиметь в виду два обстоятельства: во-первых, химия – не просто сумма знаний овеществах, а высоко упорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний,имеющих определенное социальное назначение. Во-вторых, специфика химии в том,что в отличие от других наук химия сама создает свой предмет исследования. Какникакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством.Химия всегда была нужна человеку в основном для того, чтобы получать извещества природы вещества с необходимыми заданными свойствами. Это –производственная задача и, чтобы ее реализовать, надо уметь производить качественныепревращения вещества. Другими словами, чтобы решить производственную задачу,химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойстввещества. Таким образом, основанием химии является двуединая проблема:получение веществ с заранее заданными свойствами (производственная задача) ивыявление способов управления свойствами вещества (научно — исследовательскаядеятельность). Это и есть основная проблема химии – она возникает в древности ине теряет своего значения в наше время, конечно, способы ее решения меняются взависимости от эпох, развития материального производства и познания.

Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. Химическиепревращения использовались людьми еще в те времена, о которых не сохранилосьписьменных памятников. Эти химические «средства труда» (и, прежде всего, реакциягорения) имели очень большое значение. При их помощи были заложены основыразвития почти всех областей производства веществ, необходимых для прогрессачеловеческого общества. Огонь, очаг, печь, гончарное ремесло, металлургия,изготовление стекла, обработка кожи, приготовление продуктов брожения, красок,лекарств, средств косметики – все это основные ступени совершенствования иусложнения использованных человеком средств труда. Без расцвета разнообразныххимических ремесел вряд ли было бы возможно появление высокоразвитыхцивилизаций древних государств – Китая, Индии, Египта, Греции и Рима – с ихтоварообменом, письменностью и замечательной культурой. В древности наивысшийуровень химических знаний совпал с расцветом Римской империи.

Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярноеучение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческихматериалистов отделена от нас 25-вековым периодом, однако философское учение одискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании снашими сегодняшними представлениями.

Как же зародилась атомистика?

Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор.Для поиска «первопричин» в спорах обсуждались многие логические задачи, однойиз которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить?Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно. Итолько Левкипп и его последователи утверждали, что этот процесс не бесконечен:при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее делениекоторой просто будет невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкиппутверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц ипустоты.

Ученик Левкиппа Демокрит назвал эти мельчайшие частицы «неделимые», чтопо-гречески значит «атомы». Это название мы используем и сегодня. Демокрит,развивая новое учение – атомистику, приписал атомам такие «современные»свойства, как размер и форму, способность к движению. Последователь ДемокритаЭпикур придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что уатомов существует внутренний источник движения, и они сами способнывзаимодействовать друг с другом.

Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно,и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки,может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливостьлюбой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20-25 вековназад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающихсправедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли.

Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно,ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно, атомистика,развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром была и остается просто догадкой,смелым предположением, философской концепцией, не подкрепленной практикой. Этопривело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепеннобыла предана забвению.

Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII веке идеи древнегреческих атомистовбыли возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592 –1655 г.г.). Почти 20 лет он потратил, чтобы восстановить и собрать воединозабытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил всвоих трудах «О жизни, нравах и учении Эпикура» и «Свод философии Эпикура». Этидве книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые былиизложены систематически, стали учебником для европейских ученых и философов. Доэтого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита иЭпикура, была поэма Лукреция «О природе вещей».

История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них:возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с открытием Р.Бойлем (1627 – 1691 г.г.) фундаментальной закономерности, описывающей измененияобъема газа от его давления. Качественное объяснение фактов, наблюдаемых Р.Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т.е.состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближениематомов в результате уменьшения свободного пространства между ними.

Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественнонаблюдаемых явлений природы позволила сделать два очень важных вывода:

·         Превращениеатомистики из философской гипотезы в научную концепцию позволило бы датьединственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.

·         Для превращенияатомистики из философской гипотезы в научную концепцию, доказательствасуществования атомов необходимо было изучать газы, а не жидкие и не твердыевещества, чем до этого занимались химики.

Только в XVIII веке ученыевплотную занялись исследованием газов. Последовал каскад открытий простыхвеществ: водород, азот, кислород, хлор. А несколько позже химики установили тезаконы, которые принято называть основными законами химии.

Закон сохранения массы сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и А.Лавуазье в 1777 году. Он гласит: масса веществ, вступающих в химическуюреакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

В 1801 году Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласнокоторому каждое химически чистое соединение независимо от способа его полученияимеет вполне определенный состав.

Закон эквивалентов был сформулирован В. Рихтером в 1794 году. Он гласит:во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другомпроисходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются лиэти вещества простыми или сложными.

В 1803 году Д. Дальтон открыл закон кратких отношений, которыйпредставляет собой дальнейшее развитие закона эквивалентов, основанное напоследовательном анализе ряда химических соединений, образующихся привзаимодействии друг с другом любых химических элементов. Вот его формулировка:если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то наодну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которыесоотносятся между собой как простые целые числа.

Используя открытый им закон кратных отношений, закон эквивалентов и законпостоянства состава, Д. Дальтон создал новую версию атомистической теории. Вней атом из отвлеченной модели превратился в конкретное химическое понятие.

В серьезном противоречии с выводами атомистики Д. Дальтона оказалсяоткрытый Ж. Гей-Люссаком (в 1805 г.) закон объемных отношений, согласнокоторому объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также кобъему получающихся газообразных продуктов как простые целые числа. Дляобъяснения наблюдавшихся закономерностей соединения газов оказалось необходимымпредположить, что любые газы, в том числе и простые, состоят не из атомов, амолекул. В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлениисодержится одинаковое число молекул. Это положение, высказанное в 1811 году А.Авогадро, вошло в химию как закон Авогадро. Однако в начале XIX века он не получили должного признания:даже крупные химики того времени отрицали возможность существования молекул,состоящих из нескольких одинаковых атомов. И только спустя полвека в сентябре1860 года на I Международном съезде химиков вГермании, в г. Карлсруэ были окончательно приняты основные положенияатомно-молекулярного учения:

·         Все веществасостоят из атомов.

·         Атомы каждоговида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов другого вида(элемента).

·         Привзаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействииатомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разныхэлементов).

·         При физическихявлениях молекулы сохраняются, а при химических – разрушаются. При химическихреакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.

·         Химическиереакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых, из которыхсостоят первоначальные вещества.

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаряоткрытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементови создания его табличного выражения – периодической системы. Оказалось, что периодичностьизменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейсяструктурой электронных оболочек их атомов.

На рубеже XIX – XX веков в химии начали прослеживатьсякризисные тенденции, поскольку подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярнойконцепции, т.к. она не могла объяснить некоторые экспериментальные данные, полученныек концу XIX века. Открытие электрона,радиоактивность, по мнению многих химиков, разрушили основы объективного анализахимических процессов. Однако дальнейшее исследование сложного строения атомапрояснило причину связи атомов друг с другом. Это – химическая связь,указывающая на действие электростатических сил между атомами. Это силы взаимодействияэлектрических зарядов, а их носители – электроны и ядра атомов. В образованиихимической связи между атомами наиболее важны валентные электроны, которые расположенына внешней оболочке и связаны с ядром менее прочно. Различаются три основныхтипа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.

Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы вмолекулы, ионы, кристаллы. Они являются теми структурными уровнями организацииматерии, которые изучает химия. Энергия связи является важнейшейхарактеристикой химической связи, определяющей ее прочность. Количественно онаоценивается при помощи энергии, которая затрачивается на ее разрыв. Вопрос обэнергетике различных химических процессов, о степени превращения веществ вхимических реакциях связан с применением в химии законов термодинамики.Химическая кинетика выявляет механизм реакции, качественные и количественныеизменения химических процессов. Стало очевидным, что химическая картина мираоказалась много сложнее, чем это представлялось в XIX веке. Позиции атомно-молекулярной теории продолжалиусиливаться в XX веке.

Таковы общие представления о предмете химии как науки и о круге еепроблем.

2.Основные этапы (концепции) развития химии

Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества.Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойствавещества зависят

1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)

2) от структуры его молекул – структурная химия (1880 гг.)

3) от термодинамических и кинетических условий, в которых веществонаходится в процессе химической реакции (1950 гг.)

4) от уровня химической организации вещества – эволюционная химия(1970гг.).

До середины XVII века не былизвестен ни один химический элемент. Во второй половине ХVII в. в работах английского ученого Р.Бойля было доказано, что качества и свойства тела зависят от того, из какихматериальных элементов тело составлено. С этого момента стали считать, чтонаименьшей частицей простого тела является молекула. После открытия рядаэлементов первую попытку их классификации сделал Лавуазье, эта работа былауспешно завершена в 1867 г. Д.И. Менделеевым.

В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строениявещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойствавеществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но иструктурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в неговключались представления о химической активности отдельных элементов молекулы –атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. В 1860-е годыпоявляется термин «органический синтез». Химия превратилась из науки главнымобразом аналитической в синтетическую. Этот период связан с развитиемпроизводства анилиновых красителей для текстильной промышленности,искусственного шелка, взрывчатых веществ, различных лекарств и др. Но этот этапбыл не долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики,приборостроения в первой половине ХХ в. выдвинули новые требования к производствуматериалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальныесинтетические каучуки, пластмассы, изоляторы, жаропрочные органические инеорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материаловимеющихся знаний было не достаточно. Нужно было исследовать изменения свойстввеществ в результате влияния температуры, давления, растворителей и многихдругих факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.

Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Онаобеспечивает производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металлв строительстве, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочныхматериалов. Многие материалы стали производиться из нефтяного сырья, апроизводство азотных удобрений – из азота и воздуха. Появились новые технологии.

В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопросахимии. Он открыл путь использования в производстве материалов самыевысокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. Воснове этого способа лежит принцип использования таких условий, которыеприводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. ксамоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникаетэволюционная химия. Ее считают предбиологией, т.е. наукой о самоорганизации исаморазвитии химических систем. Химия связывается с биологией. Долгое время этидве науки шли каждая своим путем, параллельно, чему способствовалипредставления о непроходимой грани между живым и неживым. Лишь открытие в ХХ в.микромира позволило увидеть практические возможности совместной работы надхимическими проблемами учения о клетке; обусловленности биологических функцийхимическими реакциями. В то же время стало совершенно ясно, что нельзя сводитьявления жизни к химическим реакциям (антиредукционизм). Специфика химическихпроцессов в живых системах состоит в самосохранении, самовоспроизведении живойсистемы. В 60–е годы ХХ в. были открыты случаи самосовершенствованиякатализаторов в ходе реакции. Обычно они дезактивировались в процессе работы,ухудшались и выбрасывались. Исследования в области биокатализаторовориентировались на естественный отбор каталитических структур, осуществляемыйприродой на пути эволюции от неорганической материи к органической. Результатомявилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказалсяподобен биологической эволюции. Ныне известно более ста химических элементов.Большинство из них участвуют в жизнедеятельности организмов. Однако основуживых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов:углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Общая весовая доля их ворганизме более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие впостроении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий,кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Ихвесовая доля в организме – 1,6 %.

3.Химические системы и процессы

Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направленийи технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химическихсоединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме,твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру исистематизации фундаментальных химических представлений с позиции современногоестествознания.

Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи.Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом –система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованногопротонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействиитолько трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой наборсамых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбльподразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы,характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическимиэлементами.

Следующим, более высоким уровнем химической организации материи послеатома, является молекула. Молекула – нейтральная по заряду наименьшаясовокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, вопределенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, какправило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию.Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента – гомоатомныеили гомоядерные, так и из атомов различных элементов – гетероатомные илигетероядерные.

Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит привзаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию болеесложных совокупностей – молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить,что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях,а агрегаты – в твердом.

В XX веке продолжает уточняться периодическийзакон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующимобразом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся впериодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введеннаяД.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов,показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.

Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя,перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зренияхимии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, ихассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простыевещества – это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложныевещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химическихэлементов. Природа сложных веществ – химических соединений – зависит от химическойсвязи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкогоопределения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимаетсятакой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, которыйобусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду,что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами можетизменяться в широких пределах.

Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующихмежду собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятиевозникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элементаприсоединять определенное число атомов других элементов. Современныепредставления о строении атома связывают валентность с числом неспаренныхэлементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.

 Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы наследующие вопросы:

Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?

Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?

Каковы эти соотношения для различных химических элементов?

Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электроннойструктурой составляющих ее атомов?

Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью.Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, аобразованной двумя разными атомами – полярной или поляризованной.

Ионной называют химическую связь между ионами – заряженными частицами, вкоторые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества,образованные из ионов, называются ионными соединениями.

Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов,имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентныхэлектронов.

Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием междуковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательныматомом той же самой или другой молекулы.

Учение о химических связях составляют основу современной теориихимического строения. Согласно ей, химическое строение – это не только порядокэлементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, ипрочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронногооблака, эффективные заряды атомов и т.п.

В XX веке химия все более становиласьнаукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах,сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессыпредставляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе.Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего кобразованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иныехимические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которойсудят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений.Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химическихэлементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой иимеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можнопривести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, тонаиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровнесоответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например,барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновениецезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностьюукомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон,аргон, криптон, ксенон).

Описание и объяснение химических процессов – задача одного из важнейшихразделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачуподразделяют на две более конкретные:

1. Выявление механизма реакции – установление элементарных стадийпроцесса и последовательности их протекания (качественные изменения);

2. Количественное описание химической реакции – установление строгих соотношений,которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходныхреагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Для понимания основных закономерностей осуществления химического процессанеобходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие вхимическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты.В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельныхстадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточныхстадий может быть очень велико – в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч.Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполнестабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.

Накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволитпроводить их классификацию, и будет способствовать в дальнейшем созданию общейтеории осуществления того или иного типа химической реакции. С другой стороны,выявление механизма конкретной химической реакции позволяет решать важнуюпрактическую задачу – выделение наиболее медленной элементарной стадии, которуюпринято называть лимитирующей, т.е. определяющей скорость всего химическогопроцесса в целом.

Рассматривая механизм химических реакций, следует, прежде всего, иметь ввиду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состоянияреагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют такназываемую физико-химическую систему.

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическимсоставом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела,называют фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называют гомогенными, асистемы, содержащие несколько фаз – гетерогенными.

Определение механизма химической реакции является специальной задачейхимической кинетики, которую решают, используя современные физико-химическиеметоды исследования.

4.Реакционная способность веществ

Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции.В природе и в промышленности протекает огромное количество химическихпроцессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрацияреагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов ивключает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру,наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов ипродуктов, если такие имеются в системе.

Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов.Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частицреагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияниеконцентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основнымзаконом химической кинетики – законом действующих масс. Этот законраспространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциямтвердых веществ.

Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия оченьчувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллическойрешетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционнойспособности твердых тел.

Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры варифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает вгеометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокаятемпературная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числамолекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее числостолкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастаеттолько на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 – 400 %.

Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, чтовлияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активныхмолекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта(эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективныхстолкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.

Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протеканияхимических процессов – использование катализаторов. Напомним, что катализаторы– это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процессаостаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в моментсамой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как иреагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие –реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализаторвыделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается вувеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, азамедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаряприсутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление – ингибирования.

Существуют два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенномкатализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую илижидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором иреагентами.

Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы(обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты ииндукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, котораявсегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, неучаствующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют сэтими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхностикатализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекулнастолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются вактивные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чемлучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакцииудерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекулреагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.

Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого телаобусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ееактивными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химикистремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью.Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Болееважно – состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.

В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов входе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работыдезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественныйхимик А.П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную спроцессами самосовершенствования катализаторов.

Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюцииможет показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследитьгенетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибелиотдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» – задача непростая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадоммежатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенномуусложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей.В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчасдлительными остановками развития.

Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами вобласти изучения механизма химических превращений, развитием химическойкинетики. В 1951 году Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическуюреакцию – окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия всернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества,вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось.Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. Досих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородныхрастворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов,свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова.Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных ивременных структур за счет появления новых и удаления использованных химическихреагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем вуказанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитическиепроцессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структурыхимических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мересвязана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитиекаталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являютсякатализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных измененийявляется базисная реакция.

В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями какхимия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализхимических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. Врезультате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаютсяна основании теоретических расчетов.

5.Проблемы самоорганизации в современной химии

Понятие самоорганизации имеет в эволюционной химии большое значение.Сложились два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологическихсистем: субстратный и функциональный. Субстратный подход позволил получить информациюоб отборе химических элементов и структур, который происходил в процессесамоорганизации предбиологических систем. На Земле из органогенов наиболеераспространены только кислород и водород, распространенность других очень мала.В космосе господствуют два элемента – водород и гелий. Существенную роль вотборе химических элементов, способных к образованию прочных энергоемкихсвязей, в первую очередь, сыграл углерод, который вмещает и удерживает внутрисебя самые редкие химические противоположности, а также обладающие лабильностьюорганогены – азот, фосфор и сера, и элементы, которые являются центрами ферментов– железо и магний.

В ходе эволюции наряду с отбором химических элементов для биосистемосуществлялся также отбор химических соединений. Из небольшого числа органическихвеществ природа создала огромный мир растений и животных. Химики считают, чтокогда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции,химическая эволюция остановилась. Им очень важно понять, как происходила этахимическая подготовка, чтобы научиться у природы из менее организованныхматериалов создавать более организованные.

Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюциихарактеризуется исследованием самоорганизации материальных систем, выявлениеммеханизмов этих процессов. Такой подход преимущественно используется физиками иматематиками, они рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики.Многие из них утверждают, что для функционирования механизмов самоорганизацииприрода систем никакой особой роли не играет: живые системы, даже интеллект,можно смоделировать и из металла.

Тот факт, что катализ сыграл решающую роль в процессе перехода отхимических систем к биологическим, в настоящее время подтверждается многимиданными. Наиболее убедительные результаты, как мы уже видели, связаны с опытамипо самоорганизации химических систем, которые проводили Б.П. Белоусов и А.М.Жаботинский. Эти реакции сопровождаются образованием новых структур, причемважное значение в них приобретают каталитические процессы, роль которыхусиливается по мере усложнения структуры химических систем.

Основные понятия темы:

Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра иэлектронов.

Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов,обладающая определенной структурой и способностью к самостоятельному существованию.

Валентность – количественная характеристика, показывающая числовзаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле.

Катализатор – вещество, влияющее на скорость химической реакции.

Катализ – ускорение химической реакции, благодаря присутствиюспециального вещества.

Ингибирование – замедление химической реакции, благодаря присутствиюспециального вещества.

Органогены – химические элементы, участвующие в создании ижизнедеятельности организмов.

Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы вмолекулы, ионы, кристаллы.

Химическая кинетика – описание и объяснение химических процессов.

Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии

 

1.Основные этапы развития наук о Земле

Физические, космологические и химические концепции подвели нас вплотную кпредставлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразных свойствах.Исследователи и путешественники, наблюдатели и философы создали единую географическуюкартину мира, рисующую Землю как сложную систему, состоящую из различных, новзаимосвязанных элементов: горных пород и почвы, климата и воды, флоры и фауны.

Различные науки о Земле, имея один объект исследования – Землю,развиваются вместе, взаимно обогащая друг друга. Они тесно взаимодействуют сфизикой, химией, биологией, на стыках, с которыми возникают новые научныенаправления, решающие задачу объяснения единства вещества Земли, баланса ееэнергии, глобальных процессов, объединяющих различные сферы Земли, а такжеотдельные участки ее поверхности.

В становлении и развитии наук о Земле выделяют три этапа:

1.Доклассический (от античности до XVII века)

2.Классический (XVIII– первая половина XX века)

3.Неклассический (60-е годы XX века по настоящее время)

В первый период были выдвинуты идеи о шарообразности Земли иклиматической зональности. Древние греки и римляне знали о поднятии и опусканиисуши, землетрясениях, вулканах и вулканической деятельности; о том, чтополезные ископаемые зарождаются и находятся в недрах Земли. Они имелипредставление о многих горных породах и минералах, парагенезе, геологическомстроении некоторых участков земной коры, об осадконакоплении иосадкообразовании, могли оценить последствия деятельности человека в«геологическом отношении».

Во второй период разрабатываются концепции активности Земли: нептунизм,плутонизм, катастрофизм, униформизм, актуализм, мобилизм и т.д. Согласноконцепции нептунизма (А.Г. Вернер), все горные породы отложились в виде осадковиз Всемирного океана. Плутонизм видел динамический исток всех явлений вовнутреннем тепле Земли, вызывающем землетрясения и извержения вулканов. В этихконцепциях активность Земли связывается с одной из геооболочек. Униформизмнастаивал на том, что геологические явления в прошлом были такими же, как и в настоящеевремя. Сторонники актуализма считали, что, используя сравнительно-историческийметод, можно судить о прошлых геологических процессах.

В третий, неклассический, период фактуальный потенциал настолько возрос,что оказалась возможной концепция глобальной эволюции Земли. Согласно этойконцепции, несколько миллиардов лет назад вокруг Солнца обращалось гигантскоехолодное газопылевое облако. Частицы, составлявшие первоначальную туманность,сталкивались друг с другом и образовывали холодные твердые сгустки,впоследствии ставшие планетами. Разогревание их произошло позже благодарясжатию и поступлению солнечной энергии.

Теории эволюции Земли, то есть полного и непротиворечивого описания развитияядра и мантии Земли, океанической и континентальной коры, атмосферы, гидросферыи биосферы пока не существует. Имеется несколько направлений и школ,возглавляемых ведущими специалистами в области геофизики, геохимии и геологии.Сложность возникающих проблем, неоднозначность трактовки уже добытых фактовпока не позволяют соединить в единой картине данные, полученные при различныхподходах.

2. Историягеологического развития Земли

Ученые разделяют историю Земли на длительные промежутки времени – эоны.Эоны – на эры, эры – на периоды, периоды – на эпохи, эпохи – на века.Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другойзнаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношениясуши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.

Геологическая история Земли делится на два эона: криптозойский ифанерозойский. Криптозойский (от греч. крипто – тайный, скрытый и греч. zoе – жизнь) эон — интервал времени(свыше 3000 млн. лет), в течение которого сформировались докембрийские толщипород, лишенные явных остатков скелетной фауны. Он составляет 5/6 всегогеологического летоисчисления. Фанерозой(от греч. фанеро – явный и zoе – жизнь), охватывает последние 570млн. лет. Выделен в 1930 году американским геологом Дж. Чедвиком наряду с криптозойскимэоном.

Самый древний этап в геологической истории Земли – катархей (ниже древнейшего)и архей (древнейший). Это время активной вулканической деятельности на планете.В отложениях этих эр остатки организмов практически не обнаружены. Горныепороды архея представлены гнейсами (метаморфическая горная порода, состоящая изкварца, полевого шпата и слюды), кристаллическими сланцами, кварцитами.

На грани архейской и следующей за ней протерозойской (от греч. proteros – более ранний, первый; zoe – жизнь) эры в результате горообразовательныхпроцессов произошло значительное перераспределение суши и моря на Земле.

Протерозой – огромный по продолжительности (около 2 млрд. лет) этап историческогоразвития Земли. Это эра возникновения жизни на Земле. Жизнь становится важнымгеологическим фактором. Живые организмы изменяют форму и состав земной коры. Врезультате фотосинтетической деятельности неузнаваемо изменился составатмосферы. К этой эре относится образование крупнейших залежей железных руд(курские, криворожские) органогенного происхождения.

Между протерозойской и палеозойской эрами (около 600 млн. лет назад)происходил очередной период интенсивного горообразования. Вновьперераспределяются площади суши и моря на Земле. Накопленные в течение протерозоямощные слои осадков в результате сжатий, поднятий дна моря превратились вгорные породы.

Палеозойская эра (от греч. palaios– древний, zoe – жизнь) — первая эра фанерозойскогоэона. Продолжительность – около 240-350 млн. лет. Это эра активногогорообразования. Животный мир развился от примитивных морских животных доназемных пресмыкающихся, а растительный – до хвойных растений. Из полезныхископаемых появляются каменный уголь, нефть, горючие сланцы, фосфориты.

Следующая эра – мезозойская (от греч. mesoa – средний, zoe – жизнь). Ее продолжительность – около 173 млн. лет. Это времяинтенсивного горообразования на периферии Тихого, Атлантического и Индийскогоокеанов, эра господства гигантских пресмыкающихся на суше, в морях и в воздухе(динозавров, ихтиозавров и др.). Появляются многочисленные насекомые, костистыерыбы, птицы, млекопитающие, а из растений — лиственные деревья.

Около 60-70 млн. лет назад началась кайнозойская (от греч. kainos – новый, zoe – жизнь) и продолжается в настоящее время. Онахарактеризуется интенсивными горообразовательными процессами, неоднократныминаступлениями моря на сушу и его отступлениями. Около 0,7 – 1,8 млн. лет назадпроизошло резкое изменение климата, сопровождавшееся мощным материковымоледенением, охватившим огромные площади в Евразии и Северной Америке.Накопление гигантских запасов льда на суше привело к существенному понижениюуровня Мирового океана (на 60-70 м). В конце кайнозойской эры появился человек.

3.Внутреннее строение Земли

Современные концепции геосферных оболочек

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твердого, жидкогои газообразного вещества, а также многие ее физико-химические свойствапозволили для удобства ее исследования выделить внутри Земли и вокруг нее рядконцентрических оболочек различной плотности и химического состава. Впервыетакой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс. Всвоем трехтомном труде «Лик Земли» он обобщил представления предшественников остроении и развитии земной коры и назвал выделяемые по различным признакам концентрическиеоболочки Земли геосферами.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли различаютмагнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Земли и ее ядро.Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера описаны подробно. Что касаетсямантии и ядра, то они исследованы недостаточно. Для их изучения применяютсяметоды, основанные главным образом на способности световых, звуковых и ударныхволн по-разному распространяться в различных сферах.

Центральная область Земли – ядро. Оно ограничено сферической поверхностьюна глубине 2900 км. Вещество ядра обладает повышенной плотностью иэлектропроводностью. Радиус ядра 3470 км. Предполагают, что ядро состоит издвух частей: внутренней (радиусом 1300 км) твердой и очень плотной от огромногосжатия оболочки, состоящей из металлического железа, и внешней оболочки израсплавленных минералов с температурой 5000-6000о С.

83% объема Земли и 67 % ее массы составляет ее мантия. Верхняя граница мантиипроходит на глубине от 5-10 до 70 км. Нижняя – на глубине 2900 км.Предполагается, что мантия Земли сложена в основном оливином – минералом, содержащимкремний, железо и магний. Благодаря высокому давлению вещество мантии, по — видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением атмосферы.Температура в мантии не превышает 2000-2500о С. С процессами вмантии Земли связаны тектонические движения земной коры, извержения вулканов идругие процессы.

Земная кора –твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км. Различаютдва вида земной коры – материковую или континентальную и океаническую.

Материковая земная кора состоит из трех слоев: верхнего осадочного,среднего «гранитного» и нижнего «базальтового», названных по ихпреимущественному составу. Мощность материковой коры – 35-40 км под равнинами и70 км в области гор.

Океаническая земная кора не имеет «гранитного» слоя, а ее осадочный слойобладает меньшей мощностью по сравнению с материковой корой. Океаническая кораимеет мощность от 5 до 10 км.

Земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям. Одна изсовременных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называетсятеорией неомобилизма. Ее появление относится к концу 60-х годов XX в. и вызвано сенсационным открытиемна дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ее длина превышает 72тыс.км. Компьютерные программы, построенные на основе теории неомобилизма,позволили смоделировать динамические процессы, происходившие внутри Земли и наее поверхности в относительно близкие эпохи прошлого.

Ученые считают, что геосферные оболочки возникли в результатедифференциации вещественного состава первичной Земли. Они отличаются поплотности и химическому составу.

Земную кору и верхний слой верхней мантии объединяют в общую твердуюоболочку – литосферу. Общая ее мощность составляет, вероятно, 50-200 км. Онаимеет важное значение, так как создает твердый слой на поверхности Земли, накотором возникает жизнь. Она содержит в себе полезные ископаемые, необходимыедля жизни человека, имеет особый органический слой – почву, создающую условиядля жизни растительных организмов, которые, в свою очередь, являются пищей длячеловека и животных.

Гидросфера – водная оболочка Земли, совокупность всех природных водпланеты. Она включает мировой океан, воды суши и находится в тесномвзаимодействии с литосферой (подземные воды), атмосферой (водяной пар), иживыми организмами. Гидросфера едина, так как все воды взаимосвязаны инаходятся в постоянном круговороте. В.И. Вернадский писал: «Вода стоитособняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бысравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологическихпроцессов…Все земное вещество…ею проникнуто».

Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести иучаствующая в ее суточном и годовом вращении. Впервые термин «атмосфера» ввел впрактику М.В. Ломоносов. Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом.Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Четко выраженной верхнейграницы она не имеет. Условно ее проводят на высоте около 2000-3000 км.

 С высотой температура, давление и плотность воздуха в атмосфере меняются.В зависимости от этого принято деление атмосферы на несколько слоев: тропосфера(толщина 16-18 км над экватором), стратосфера (50-55 км), мезосфера (80-85 км),термосфера (от 85 до 600-800 км). Атмосфера защищает Землю от влияния открытогокосмоса, поддерживает температурное равновесие и благоприятный режим, содержитазот, входящий в состав почти всех живых организмов, и кислород, необходимый длядыхания. Одним из важнейших компонентов атмосферы является изотоп кислорода –озон. Озоновый слой, являясь экраном от ультрафиолетового излучения, играетисключительно важную роль в сохранении жизни на Земле.

Особая комплексная оболочка Земли, в пределах которой соприкасаются,проникают друг в друга и взаимодействуют верхняя часть литосферы, гидросферы,нижняя часть атмосферы называется географической оболочкой. Границыгеографической оболочки разные ученые определяют по-разному. Верхняя границасовпадает с границей тропосферы или озоновым экраном, а нижняя – граница земнойкоры или нижняя граница ее осадочного слоя.

Целостность географической оболочки обеспечивается постоянным обменомвеществ и энергией между сушей, атмосферой, мировым океаном и организмами.Учение о географической оболочке было разработано А.А. Григорьевым.

Основные понятия темы:

Земля – третья по счету от Солнца планета в Солнечной системе.

Нептунизм – концепция, согласно которой все горные породы отложились ввиде осадков из Всемирного океана.

Плутонизм – концепция, согласно которой все процессы на Земле обусловленыее внутренним теплом.

Униформизм – концепция о неизменности геологических явлений в истории Земли.

Ядро Земли – центральная область Земли, ограниченная сферическойповерхностью на глубине 2900 км.

Мантия Земли – одна из внутренних оболочек, расположенная между Земной коройи ядром.

Земная кора – твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем35-40 км, часть литосферы.

Эра геологическая – длительный этап геологической истории и развитияжизни на Земле, соответствующий времени образования определенных горных пород.

Литосфера – верхняя оболочка Земли.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести иучаствующая в ее суточном и годовом вращении.

Гидросфера – водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты.

Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи

 

1. Биологиякак система наук о живой природе

Термин «биология» был введен впервые в XIX веке Жаном Батистом Ламарком.Биология изучает бесчисленные формы живых организмов, их строение, функции,индивидуальное развитие, взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой.Предмет биологии – жизнь, которая является наиболее сложной формой организациии движения материи. Поэтому она представляет собой систему наук и ее структуруможно рассматривать с разных точек зрения. По объекту исследования в биологиивыделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. Посвойствам и проявлениям живого биология подразделяется на морфологию (строениеорганизмов), физиологию (функционирование организмов), молекулярную биологию(микроструктура живых тканей и клеток), экологию (образ жизни растений иживотных, их связи с окружающей средой), генетику (законы наследственности). Поуровню организации изучаемых живых объектов в биологии выделяют: анатомию(строение организма), гистологию (строение тканей), цитологию (строение живыхклеток).

Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразныхформах и видах растительного и животного мира. Поэтому важнейшее место в нейзанимали методы анализа, систематизации и классификации огромного эмпирическогоматериала, накопленного натуралистами.

Поиски единой основы живых форм привели к изучению их сначала наклеточном, а затем на молекулярном уровне. Попытки создания классификаций видоврастений и животных привели к идеям и принципам теории эволюции. Описательнаябиология послужила эмпирическим фундаментом, на котором сформировался единый,целостный взгляд на многообразный мир живых систем, связанный с изучениемструктуры биологических систем, структурных уровней организации живой материи.Поэтому в развитии биологии обычно выделяют три основных этапа:

этап систематики (К. Линней);

эволюционный этап (Ч. Дарвин);

этап биологии микромира (Г. Мендель).

Развитие биологии все больше убеждает ученых в единстве природы, в связиорганического и неорганического миров.

2. Основныеконцепции происхождения жизни. Сущность живого

В биологии сложились четыре подхода к объяснению феномена жизни:

Витализм – объяснение специфики жизни наличием в организмах особой«жизненной силы» (vitalis – жизненный).

Редукционизм – сведение процессов жизнедеятельности к совокупностиопределенных химических реакций.

Композиционизм считает основной причиной функционирования явлений жизнимежорганизменные связи.

Функционализм возник в связи с обсуждением вопроса о возможности жизни надругих планетах, природа и структура живого может различаться, сходство жебудет проявляться только в функциях.

В соответствии с этими подходами существует несколько концепцийпроисхождения жизни. Наиболее распространенными из них являются следующие:

Креационизм – жизнь была создана сверхъестественным путем в определенноевремя.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение: жизнь возникала неоднократно изнеживого вещества. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, в котором он за3 недели якобы создал мышей. Для этого понадобились грязная рубашка, темныйшкаф и горсть пшеницы. Активным началом служил человеческий пот. Опровержениеэтому дал в 1688 г. Франческо Реди из Флоренции. До сих пор важное значение вбиологии имеет знаменитый «принцип Реди», согласно которому жизнь можетвозникнуть только из предшествующей жизни (биогенез). Реди провел такойэксперимент: он взял четыре больших сосуда, в первый поместил змею, во второй –немного рыбы, в третий – угрей, в четвертый – кусок молодой телятины. Этисосуды он плотно закрыл и запечатал. То же самое поместил в четыре другихсосуда, но оставил их открытыми. Видел мух, свободно влетающих и вылетающих изэтих сосудов. В результате в открытых сосудах были обнаружены маленькие белыечервячки (личинки мух), а в запечатанных сосудах не было ни одной личинки.

Ладзаро Спалланцани в 1765 г. доказал, что кипячение убивает все формы живыхсуществ. А в 1860 г. Луи Пастер предложил свои знаменитые способы пастеризациии стерилизации (стерилизация — обработка неживых предметов, которые могут бытьзаражены живыми существами).

Теория стационарного состояния – жизнь существовала всегда, также как иВселенная. Виды живого существовали всегда и у них есть только две возможности:либо изменение численности, либо вымирание.

Теория панспермии – жизнь на Землю занесена из других частей Галактикиили Вселенной. В 1865 году немецкий ученый–медик Г. Рихтер утверждал, чтозародыши предков организмов могли быть занесены с метеоритами и космическойпылью. Эта гипотеза широко распространена среди ученых, наиболее видными еесторонниками являются У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. В 1907 г.шведский естествоиспытатель С. Аррениус выдвинул сходную гипотезу, которая иполучила название панспермии: во Вселенной вечно существуют «семена жизни», которые,попадая в благоприятные условия, рождают жизнь.

Теория биохимической эволюции – жизнь возникла в результате физико-химическихпроцессов. В 1924 г. А.И. Опарин (биохимик) опубликовал книгу «Происхождениежизни», в которой изложил гипотезу возникновения жизни на Земле.

В современной биологии все теории делятся на две большие группы:голобиоза и генобиоза.

Голобиоз – методологический подход, признающий первичность структур типаклеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов.Появление нуклеиновых кислот – завершение эволюции.

Генобиоз признает первичность молекулярной системы со свойствами генетическогокода. Дж. Холдейн высказал предположение: первичной была макромолекулярнаясистема, подобная гену и способная к саморепродукции, так называемый «голыйген».

Имеются и промежуточные варианты: белковые и нуклеиновые молекулыпоявились одновременно и подверглись коэволюции, т.е. одновременной ивзаимосвязанной эволюции. Контраргумент: белковые и нуклеиновые макромолекулыструктурно и функционально настолько различны, что нереально их одновременноепоявление и сосуществование. К 1980-м гг. усилились позиции генобиоза.

Очевидно на современном уровне исследования, что в определении жизнидолжны быть зафиксированы функциональные и субстратные моменты. Жизнь – высшаяиз природных форм движения материи, для которой характерны самообновление,саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественнуюоснову которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганическиесоединения.

3. Уровниорганизации живой материи и ее свойства

Выделяют несколько уровней организации живой материи:

Молекулярный – на этом уровне обеспечиваются все важнейшие процессыжизнедеятельности организма (обмен веществ, сохранение энергии и т.п.);

Клеточный – клетка является структурной и функциональной единицей всегоживого;

Тканевой – совокупность сходных по строению клеток, которые объединеныобщими функциями;

Органный. Органы – это структурно-функциональное объединение несколькихвидов тканей.

Организменный имеет два уровня: одноклеточный и многоклеточный,представляющий собой целостную систему органов, специализирующихся навыполнении различных функций.

Популяция – совокупность организмов одного вида, объединенная общимместом обитания.

Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложностисо всеми факторами среды обитания; взаимообусловленный комплекс живых и косныхкомпонентов.

Биосфера – система высшего порядка, охватывает все явления жизни на нашейпланете. На этом уровне происходят превращение веществ, круговорот веществ ипревращение энергии.

Свойства живой материи:

Единство химического состава. В состав живого организма входят те жеэлементы, что и в состав неживой природы, однако соотношение их разное. В живоморганизме 97% химического состава приходится на углерод, водород, кислород,азот, фосфор, серу. В неживой природе широкое распространение имеют кремний,железо, магний, натрий.

Обмен веществ (метаболизм). В неживой природе также существует обменвеществами, однако они просто переносятся с одного места на другое или меняетсяих агрегатное состояние (например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед).

Размножение – способность к самовоспроизведению.

Наследственность – способность передавать свои признаки, особенностиразвития из поколения в поколение. Она обусловлена ДНК.

Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки. Онасоздает разнообразный материал для естественного отбора. Связана с наследственностью.

Рост и развитие.

Раздражимость – активная реакция организма на внешнее воздействие.

Ритмичность – повторение одного и того же состояния через определенные промежуткивремени. Обусловлено различными космическими или планетарными системами.

Относительная энергозависимость. Живые организмы существуют только до техпор, пока в них поступает энергия в виде пищи; прямо или косвенно онииспользуют энергию Солнца.

Гомеостаз – саморегуляция, самоподдержание организма; способностьсохранять стационарное состояние и выживать в условиях непрерывно меняющейся среды.

Противостояние энтропийным процесса (негэнтропийность)..

4. Клеточнаятеория. Единство органического мира

Представление о структурных уровнях организации живой материисформировалось под влиянием клеточной теории строения живых тел. Клетка — этоединица живого, мельчайшая система, которая обладает всеми свойствами живого иявляется носителем генетической информации.

В 1839 г. Т. Шванн и М.Я. Шлейден создали клеточную теорию. Ее основныеположения:

·       Клетки – основныеэлементы жизни, мельчайшие единицы, которые можно еще считать живыми.

·       Все организмысостоят из одной или многих клеток, сходных по строению. Это являетсясвидетельством единства происхождения и развития всего живого.

 Современная клеточная теория дополняет эти положения следующими:

·       Жизньобеспечивается только клеткой.

·       Новые клеткимогут возникать из предсуществующих путем их деления.

·       Целостность исистемная организация многоклеточных организмов обеспечивается взаимодействиемклеток.

Исследования в области цитологии показали, что клетки имеют общиесвойства и в строении, и в функциях. Они реализуют обмен веществ, саморегуляциюсвоего состояния, передают наследственную информацию. Клетки существуют и какотдельные организмы (одноклеточные), и в составе многоклеточных организмов. Ониимеют разный срок существования. Жизненный цикл клетки оканчивается делениемили гибелью. Размеры клеток также очень разнообразны. Клетки образуют ткани,несколько типов тканей образуют органы. Однако в природе встречаются организмы,не имеющие клеточной структуры. Это вирусы.

Клетки делятся на два типа: безъядерные и ядерные. Безъядерные клеткиназываются прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли) и исторически являютсяпредшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, появившихся около 3млрд. лет тому назад, — эукариотов. Прокариоты имеют в своем составе нитимолекул нуклеиновых кислот, которые выполняют функцию управления. Толькорасположены они в цитоплазме, а не в ядре. Безъядерные клетки выполняют всефункции, свойственные типичным клеткам. У эукариотов нити управлениявнутриклеточным обменом находятся в ядре клетки, в очень длинных цепях молекулнуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых являетсяген. Это природное кибернетическое устройство, которое содержит инструкцию,информацию, коды, определяющие характер деятельности клетки по обмену веществ исамовоспроизводству. Гены обеспечивают важнейшие функции жизнедеятельности иклетки, и организма в целом.

Важнейшими свойствами клетки, обеспечивающими ее главные функции,являются метаболизм (обмен веществ) и гомеостаз (сохранение стабильностиусловий внутренней среды клетки).

Поток информации в клетке обеспечивается нуклеиновыми кислотами. Существуетдва типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК входит в состав ядра, в составхромосом. Хромосомы – материальная основа наследственности, представляющаясобой ряд линейно сцепленных генов. Каждый ген отвечает за какой-тоэлементарный признак, поэтому наследственность дискретна. Поток веществ иинформации в клетке нуждается, а энергии; процессы, обеспечивающие энергетическиепотребности клетки составляют поток энергии. Поток энергии в клетке регулируетсязаконами биоэнергетики В. Скулачёва. В качестве источников клеточной энергиииспользуются простые сахара (глюкоза), процессы дыхания (образуются углекислыйгаз и вода) и брожения (образуются спирт или молочная кислота). Большую роль вбиоэнергетике клетки играют фотосинтез и хемосинтез.

Основные понятия темы:

Витализм – объяснение специфики жизни наличием в организмах особой«жизненной силы».

Редукционизм – сведение процессов жизнедеятельности к совокупностиопределенных химических реакций.

Композиционизм – признание межорганизменных связей основной причинойфункционирования явлений жизни.

Функционализм – такой подход к определению живого, согласно которому природаи структура живого могут различаться, сходство же будет проявляться только вфункциях.

Голобиоз – методологический подход к объяснению происхождения жизни,признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарномуобмену веществ при участии ферментов и из которых появляются нуклеиновыекислоты, кодирующие генетическую информацию.

Генобиоз – методологический подход к объяснению происхождения жизни,признающий первичность молекулярной системы («макромолекулы») со свойствамигенетического кода.

Жизнь – высшая из природных форм движения материи, для которой характернысамообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытыхсистем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты ифосфорорганические соединения.

Гомеостаз – самоподдержание организма, способность сохранять стабильноесостояние в любых ситуациях.

Клетка – единица живого, мельчайшая система, обладающая всеми свойствамиживого и являющаяся носителем генетической информации.

Вирусы – организмы, не имеющие клеточной структуры.

Прокариоты – безъядерные клетки.

Эукариоты – клетки, имеющие ядра.

Ген – элементарная единица наследственности.

Хромосомы – материальная основа наследственности, представляющая собойряд линейно сцепленных генов.

Тема 14. Генетика и эволюция

 

1.Концепции эволюционизма в биологии

Современные представления о характере и законах функционирования живыхорганизмов были бы невозможны без эволюционного подхода к анализу природы.

Эволюция – это процесс исторического развития органического мира.Сущность этого процесса состоит в непрерывном приспособлении к разнообразным ипостоянно меняющимся условиям окружающей среды, в возрастающем со временемусложнении организации живых существ. В ходе эволюции осуществляется преобразованиеодних видов в другие.

Главное в эволюционной теории – идея исторического развития от сравнительнопростых форм жизни к более высокоорганизованным.

Формированию исторических взглядов на живую природу способствовали работыК. Линнея «Система природы», «Философия ботаники». Ученый изучил более 10 тысячвидов растений и 4200 видов животных. Разработанная им систематика была оченьпростой и удобной и получила высокую оценку ученых. Недостаток ее состоял в ееискусственности. Она позволяла распознавать растения, но не раскрывала ихприроду. Кроме того, К. Линней ошибочно считал количество видов неизменным(сколько их создал Бог).

Развитие ботаники и зоологии привело к возникновению идей эволюционногоразвития природы и отказу от представлений о неизменности видов.

Ж. Бюффон (Франция), Э. Дарвин (Англия), И. Гете (Германия) и другиенатуралисты и мыслители высказывали научные догадки об эволюционномвозникновении и развитии жизни на Земле. Однако они не были подкрепленыфактами.

Наиболее полно по тем временам идея эволюции была изложена в работевидного французского биолога Ж.Б. Ламарка «Философия зоологии». Он выделяет двепричины изменчивости видов: влияние и изменение условий жизни инаследственность. Постоянство видов, утверждает Ламарк, явление толькокажущееся и связано оно с кратковременностью наблюдений за ними. По его мнению,несколько тысяч лет для природы – не более чем секунда. Ламарк считал, чтовысшие формы жизни произошли от низших в процессе эволюции. Он ошибочнополагал, что главная причина развития – это внутренне присущее живым организмамстремление к самосовершенству, заложенное в них творцом (Богом). Большоезначение он придавал упражнению и неупражнению органов. Длинная шея у жирафавозникла, по мнению ученого, в результате постоянного упражнения этого органанесколькими поколениями по доставанию листьев с высоких деревьев и непосредственногозакрепления этого изменения. Это в дальнейшем привело к очень распространенным,но научно совершенно необоснованным представлениям о наследовании признаков,приобретаемых под непосредственным воздействием среды.

В России мысли об изменчивости видов и возможности их эволюционногопреобразования высказывал К.Ф. Рулье. Эти идеи поддерживал известный русскиймыслитель А.И. Герцен.

Ошибки Ж.Б. Ламарка в понимании факторов эволюционного процесса преодолелЧ. Дарвин. В своей работе «Происхождение видов путем естественного отбора»(1859), обобщив отдельные эволюционные идеи, онсоздал стройную теорию эволюции.Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественныйотбор, а элементарной единицей эволюции – вид.

Дарвин сформулировал следующие положения:

Во-первых, изменчивость свойственна любой группе животных и растений, иорганизмы различаются во многих отношениях. Во-вторых, число организмов каждоговида, рождающихся на свет, больше того их числа, которое может найти пропитаниеи выжить, однако численность каждого вида в естественных условиях довольнопостоянна. В-третьих, поскольку рождается больше особей, чем может выжить,происходит борьба за существование, конкуренция в борьбе за пищу и местообитания. В-четвертых, изменения организма, облегчающие его выживание в определеннойсреде, дают своему обладателю преимущество перед другими организмами, менее приспособленнымик внешним условиям; идея выживаемости наиболее приспособленных организмовявляется ядром теории естественного отбора. В-пятых, выживающие особи даютначало следующему поколению, благодаря чему «удачные» положительные измененияпередаются последующим поколениям.

Параллельно с теорией Дарвина развивались концепции, которые частично илиполностью строились на других идеях. Так, в конце XIX – начале XX вв. сложился неоламаркизм, представленный тремя основными течениями:ортоламаркизм, механоламаркизм и психоламаркизм.

Представители ортоламаркизма считали, что направленность эволюцииобусловлена внутренними изначальными свойствами организмов. Сторонникимеханоламаркизма объясняли эволюционные преобразования организмов ихизначальной способностью целесообразно реагировать на изменение внешней среды.Психоламаркизм трактовал эволюцию как постепенное увеличение роли сознания вразвитии от примитивных существ до разумных форм жизни.

Кроме этих концепций, не согласующихся с идеями Дарвина, можно такженазвать телеогенез, сальтационизм, генетический антидарвинизм.

Вместе с тем, эволюционная теория Дарвина имела своих сторонников, которыепримыкали к двум направлениям: классический и ортодоксальный дарвинизм.Классический дарвинизм прилагал усилия для того, чтобы, во-первых, подтвердитьистинность эволюционных представлений, и, во-вторых, сочетать их с современныминаучными воззрениями. Ортодоксальный дарвинизм имел место в советской биологии30 – 50-х годов XX века. Егопредставители абсолютизировали принципы эволюционной теории. Исходя из идеи орешающей роли внешней среды, советские ученые доказывали возможностьрадикального изменения природы растения (например, превращение озимой пшеницы вяровую).

Дарвиновский принцип «борьбы за существование», сформулированный для мирарастений и животных, был перенесен в сферу социальных отношений. Так,английский социолог Г. Спенсер, разрабатывая «органическую теорию», трактовалсоциальные конфликты как естественную форму выражения дарвиновского принципа.

Таким образом, с появлением теории Дарвина началось развитие подлиннонаучных представлений об эволюции органического мира. Вторая половина XIX в. прошла под флагом борьбы задарвинизм. В конце XIX в.эволюционные идеи начали проникать в конкретные биологические дисциплины.

2.Эволюция как основа многообразия и единства живых организмов

 

Микроэволюцияи макроэволюция

Самым слабым местом в эволюционном учении Ч. Дарвина были представления онаследственности, которые подвергались серьезной критике его противниками.Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных измененийи наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образомони могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Этот недостатокдарвиновской теории был преодолен возникшей в XX в. новой наукой – генетикой.

Еще во второй половине XIX в.австрийский естествоиспытатель Грегор Мендель, применив статистические методыдля анализа результатов гибридизации (скрещивания) сортов гороха, сформулировалзаконы наследственности. В первом законе Менделя утверждается идея единообразияпервого поколения гибридов, то есть проявления у них признаков одного из родителей.Это явление Мендель назвал доминированием, а сам признак доминантным. Поэтомупервый закон часто называют законом доминирования. Подавленный признак былназван рецессивным. Второй закон Менделя гласит, что если потомков первогопоколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то вовтором поколении признаки обоих родителей проявляются в определенном числовомсоотношении: ¾ особей будут иметь доминантный признак, а ¼ –рецессивный. Следовательно, рецессивный признак у гибридов первого поколения неисчез, а был только подавлен и проявился во втором гибридном поколении. В связис этим второй закон Менделя называется законом расщепления. Третий законМенделя – закон независимого комбинирования подтверждает, что при скрещивании двухгомозиготных особей (одинаковых по генотипу), отличающихся друг от друга подвум или более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие импризнаки наследуются независимо друг от друга во всех возможных сочетаниях. Такимобразом, Г. Мендель сформулировал важнейший принцип не возникшей еще генетики –принцип дискретности. Он гласит: признаки организма определяются отдельными(дискретными) факторами. Известность к Менделю пришла в 1900 г., когда егозаконы были переоткрыты К. Корренсом, Э. Чермаком, Х. де Фризом.

В 1909 году было введено понятие гена – элементарной единицынаследственности. Каждый ген отвечает за какой-то один наследственный признак.Было доказано, что гены расположены в хромосомах, находящихся в ядрах клеток.Хромосомы представляют собой тонкие длинные нити. Они располагаются по всемуядру, иногда образуя плотные клубки. Хромосомы состоят из молекул ДНК и белков.Ген представляет собой участок молекулы ДНК. Именно молекулы ДНК являетсяносителем полной информации о наследственности. Благодаря исследованиямамериканского биолога Т. Моргана и его учеников, удалось определитьрасположение генов в хромосомах плодовой мушки дрозофилы. Ученый разработалхромосомную теорию наследственности, которая являла собой совокупностьпредставлений о генах или носителях наследственности, их линейном расположениии сцеплении в хромосомах, об обмене генами между хромосомами.

Зародившаяся в начале XX века генетика первоначально занимала позицииантидарвинизма: преувеличивалось значение мутаций, отрицалась рольестественного отбора, высказывались идеи возможности эволюции при постоянствегена. Такие представления способствовали даже распространениюантиэволюционизма. Причиной тому явилась недостаточная разработанность вопросово роли наследственной изменчивости в эволюции, селективной ценности начальных геновпри возникновении ложных организмов, игнорирование фактических доказательствтворческой роли отбора.

Хромосомная теория наследственности не снимала противоречий междударвинизмом и генетикой. Важнейшим шагом по пути их преодоления явилосьсоздание синтетической теории эволюции (СТЭ), ознаменовавшей создание единойсистемы биологического знания, воспроизводящей законы развития ифункционирования органического мира как целого.

Основные положения синтетической теории эволюции можно свести к следующим:

— главным фактором эволюции считается естественный отбор, интегрирующий ирегулирующий действия всех остальных факторов (онтогенетической изменчивости,мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции, пульсации численности).

— эволюционные изменения случайны и не направлены, исходным материаломорганизации популяции являются мутации;

— эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбораслучайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные изменения;

— макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляетсятолько посредством микроэволюции, протекающей в популяциях и приводящей кобразованию нового вида; каких-либо специфических механизмов возникновения новыхформ жизни не существует.

В синтетической теории эволюции выделяют такие элементарные явления ифакторы, как популяция – элементарная эволюционная структура; гипотетическогосостава популяции – элементарное эволюционное явление; генофонд популяции –элементарный эволюционный материал; мутационный процесс, «волны жизни»,изоляция, естественный отбор – элементарные эволюционные факторы.

СТЭ описывает следующие формы естественного отбора: движущий –благоприятствующий лишь одному направлению изменчивости, когда происходит дивергенциядочерних форм; дизруптивный – разрывающий, благоприятствующий двум илинескольким направлениям изменчивости; стабилизирующий — благоприятствующийсохранению в популяции оптимального фенотипа и действующий против проявленийизменчивости.

Таким образом, уточнения, дополнения и исправления первоначальной теорииэволюции Дарвина привели к возникновению синтетической теории эволюции. Вотличие от дарвиновской в синтетической теории эволюции элементарной единицейэволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходятнаследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие состоит вчетком разграничении в синтетической теории эволюции областей исследованиямикроэволюции и макроэволюции.

Понимание отношений между микро — и макроэволюцией предполагает ответ навопрос, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции,или она одновременно объясняет и макроэволюцию? На этот вопрос пока что ученыене дали однозначного ответа. Одни считают, что теория эволюции является и теориеймакроэволюции. Другие считают, что теория макроэволюции еще не создана. Снятьэто противоречие сможет более широкий синтез эволюционной теории и новой генетики.

Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:

·           Изучение элементарныхматериальных структур, которые являются носителями генетической информации,единицами наследственности.

·           Исследованиемеханизмов и закономерностей передачи генетической информации.

·           Изучениемеханизмов реализации генетической информации, ее претворение в конкретныепризнаки и свойства организма.

·           Выяснение причини механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлениемспособности генов к перестройке – мутирование. Мутации могут быть полезными,вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появлениеорганизма нового вида – мутанта. Причины мутаций (изменения генной информации)до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации,так называемые мутагены. Известно, например, что мутации могут вызыватьсянекоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием,температурным режимом и т.д. или действием экстремальных факторов, например,некоторых химических веществ или радиоактивных элементов. Одним из наиболееопасных видов мутагенов являются вирусы.

3.Принципы воспроизводства и развития живых систем

 

Онтогенези филогенез

Молекулярная биология уже заняла ведущее место среди наук о живой природеблагодаря своим блестящим успехам. Она накопила факты и сделала обобщения,представляющие существенный вклад во все три основных раздела, из которых складываетсяэволюционная теория: доказательства реальности эволюции, учение о движущихсилах эволюции и выяснение конкурентных путей, которыми шла эволюция (филогенетика).Вместе с тем принципы эволюционной теории проливают свет на происхождение и становлениеважнейших молекулярно-биологических структур и процессов и позволяют понять, всилу каких причин они неизбежно должны были приобрести именно те черты, какиенаблюдаются на самом деле.

Важнейшей составляющей процесса развития любого организма являетсявоспроизводство в клетках по определенному шаблону веществ и структур,необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем исохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма.Она в закодированном виде содержит полную информацию для построения белка иззапасенного клеткой органического материала. Свои функции системавоспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит генетическуюинформацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать,переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалыи строить из них белковые молекулы.

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции,трансляции. Репликация – это удвоение молекулы ДНК, необходимое дляпоследующего деления клетки. Транскрипция представляет перенос кода ДНК путемобразования одноцепочной информационной молекулы РНК на одной из двух нитейДНК. Информационная молекула РНК – это копия части ДНК, группы рядом лежащихгенов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения однойфункции. Далее происходит трансляция – синтез белка на основе генетическогокода информационной РНК.

Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток – свойствоДНК самокопироваться и строго равномерное деление репродуктивных хромосом (ядерклеток, содержащих РНК). После этого клетка может делиться на две совершенноидентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от однойзародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеютодинаковый набор генов.

Наследственная информация, закодированная в управляющих структурахзародышевой клетки, реализуется в процессе онтогенеза. Содержание процессаонтогенеза составляет развитие особи, последовательности морфологических,физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом отобразования зародышевой клетки до смерти. В онтогенезе выделяютсяколичественная (увеличение размеров и живой массы организма, продолжительностьжизни) и качественная (дифференцировка, появление новых функций и структур)стороны. В ходе онтогенеза у высших животных и человека сменяются сравнительночетко отграничиваемые фазы: эмбриогенез, созревание, взрослое состояние,старение. У беспозвоночных и низших позвоночных наблюдаются разнообразные типыонтогенеза, нередко сопровождающиеся перестройкой всей структуры организма(метаморфоз). Новое в процессе развития организма возникает как благодаря непрерывномупереходу организации зародыша на более высокий уровень, так и мутациям,вносящим в онтогенез принципиально новые компоненты. Эти новообразованиявыступают в единстве с моментами преформизма, поскольку реализуемые во взросломорганизме наследственные признаки записаны уже в исходной зиготе на молекулахвещества ДНК, структурированного в генах. Противоречие между консервативнойнаследственной стороной развития организма и индивидуальной изменчивостью,прямо или косвенно связанные со средой и приспособлением, снимается вфилогенезе. Филогенез – процесс исторического развития мира живых организмовкак в целом, так и отдельных групп – видов, родов, семейств, отрядов (порядков),классов, типов, царств. Главным механизмом, регулирующим филогенез ипроисходящее в его ходе образование таксонов, является естественный отбор.Филогенез может представлять собой как прогрессивное развитие с повышениемобщего уровня жизнедеятельности и расширением адаптивных возможностейорганизма, так и регресс или попадание в эволюционный тупик.

В процессе филогенеза периоды плавного развития и выработки приспособленийк сравнительно стабильным условиям среды чередуются со скачкообразными переходамина высшую ступень организации, на которой вырабатываются качественно новыеприспособления, функции и органы. Филогенез протекает на основе накопленияиндивидуальных изменений в ходе отдельных онтогенезов. Онтогенез в своемконкретном выражении служит проявлением и в определенной мере воспроизведениемфилогенеза. Вместе с тем ряд предковых стадий выпадает из онтогенеза, другиекоренным образом преобразуются в результате приспособления к новым условиям.

Филогенез и онтогенез соединены многочисленными связями и зависимостями.Эти связи во многом даже в общих чертах остаются неясными. Более того, пока чтоне создана теория онтогенеза. Длительный путь от «белка до признака» еще дажене разведан, а без прохождения этого пути глубокое понимание и объяснение эволюционногопроцесса невозможно.

Основные понятия темы:

Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивостиорганизмов и методах управления ими.

Эволюция – направленный процесс исторического изменения организмов.

Онтогенез – индивидуальное развитие организма от момента зарождения доокончания жизни.

Филогенез – процесс исторического развития организмов.

Синтетическая теория эволюции – комплекс представлений о микро — имакроэволюции, сложившийся к середине XX века.

Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих впопуляциях и приводящих к образованию нового вида.

Макроэволюция – эволюционные процессы, ведущие к образованию надвидовыхтаксонов.

Тема 15. Человек как предмет естествознания

 

1.Естественнонаучная концепция антропогенеза

Проблема человека, его природы и сущности, его развития и предназначения– одна из главных проблем и философии, и науки, и религии.

Проблемой происхождения человека и его эволюцией занимается антропология.Она получила бурное развитие после создания теории эволюции Дарвина и пыталасьнайти ответ на вопрос, каким образом биологический организм, которыйпринадлежит к типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих, отрядуприматов, семейству гоминид, превратился в человека, биологическое и социальноесущество, в носителя культуры.

Возникновение человека было и остается тайной. Вот почему версия о его божественномпроисхождении не теряет своей актуальности и поныне.

В настоящее время имеется несколько концепций происхождения человека наЗемле:

1) креационизм (теологическая концепция);

2) от внеземных существ, посещавших Землю (паранаучная концепция);

3) естественнонаучная (натуралистическая) концепция: происхождениечеловека от высокоразвитых предков современных обезьян – гоминид;

4) космологическая концепция (В.И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден):возникновение человека как необходимый этап космогенеза и превращение его врешающий фактор космической эволюции.

Естественнонаучная концепция в XX веке получила генетическое подтверждение. Оказалось, что из всехживотных по генетическому аппарату ближе всех к человеку стоят шимпанзе.

Еще К. Линней в середине XVIIв. включил человека в систему животного царства и объединил его с обезьянами водном отряде приматов. Именно с этого времени проблема генезиса человекаприобрела особую важность для естествознания. Для Ламарка факт сходства,единства и родства, а также общности происхождения высших животных и человекане вызывает никаких сомнений. Человек рождается как существо биологическое, неимея ни представлений, ни знаний, но, обладая органами, способными обеспечиватьих появление и функционирование, благодаря воспитанию, опыту и окружающим егообстоятельствам, человек становится существом социальным.

В XIX в. начинается интенсивное осмыслениепроблемы антропогенеза. В 1859 году Ч.Дарвин в своей книге «Происхождение видовпутем естественного отбора» вскрывает основные причины эволюции животного мира.Полученные результаты позволили ему сформулировать гипотезу о происхождениичеловека от высокоразвитых предков современных обезьян в книге «Происхождениечеловека и половой отбор» (1871 г.). Он писал: «Как бы ни было великоумственное различие между человеком и высшими животными – оно толькоколичественное, а не качественное». Таким образом, именно он заложил традициювыведения всех особенностей человеческой жизнедеятельности из инстинктивныхформ поведения животных.

Ф. Энгельс –представитель трудовой теории антропогенеза – считал, что труд изменяетхарактер действия естественного отбора, не отменяя действия биологическихзаконов. Труд создал из обезьяны человека: формирование прямохождения, руки, речи,развитие мозга, абстрактного мышления, возникновения социума – все это социальныеформы наследственности.

Однако теория антропогенеза не считается завершенной. Не решеннымисчитаются следующие проблемы: 1) Какова движущая сила процесса происхождениячеловека? 2) Каковы управляющие этим процессом закономерности?

Согласно гипотезе Э. Геккеля предками человека были не современныеобезьяны, а дреопитеки — древесные обезьяны, которые жили 70 млн. лет назад. Отних одна линия пошла к шимпанзе и гориллам, другая – к человеку. Основные этапыэволюции предков человека выглядят примерно так:

20 млн. лет назад наступившее похолодание заставило их спуститься с деревьев.Останки этих существ были найдены в Индии — рамапитеки – 14 млн. лет назад (отИндии до Африки); сивапитек – предок орангутанга – 10 млн. лет назад жил вАзии. Зинджантроп — «человек умелый» (Homo habilis)изготовлял примитивные орудия труда – 2-5 млн. лет назад жил в ВосточнойАфрике. Объем мозга 600-700 куб. см.

Австралопитек — южная обезьяна — жил 4-2 млн. лет назад.

Питекантроп – 1,9-0,65 млн. лет назад.

Синантроп жил 400 тыс. лет назад, найден на о. Ява, в Китае, объем мозга900 куб. см. Рост –150-160 см. Рядом с останками найдены орудия труда,синантропы жили в пещерах.

Неандерталец жил 30-40 тыс. лет назад. Найден в Германии, объем мозга — 1500 куб. см. Впервые обнаружено захоронение трупов.

Кроманьонец – 40-18 тыс. лет назад. Во Франции, в пещере Кро-Маньон былинайдены останки существа, близкого по облику, росту и объему черепасовременному человеку.

Палеонтологическая летопись прерывается, поэтому очень трудно показатьэволюцию человека. Генетически человек не изменялся после кроманьонца, продолжаласьтолько его социальная эволюция.

В основе космологической концепции антропогенеза В.И. Вернадского лежитего знаменитое учение о биосфере. Более подробно это учение будет рассмотренодалее. Здесь важно отметить то, что биосфера – это динамическое целое, функциикоторого состоят в улавливании, ассимиляции и переносе энергии. Как целое, онавключена в более широкое окружение – свою сферу обитания (геокосмическую); какзакономерный этап эволюции материи она выполняет космическую функцию сниженияэнтропии и упорядочения хаоса; как системное образование она состоит изнескольких подсистем, между которыми также постоянно происходит обмен веществоми энергией. Поэтому картина эволюции мира не может быть получена простым суммированиемотдельных ее форм, биосфера не состоит из каких-либо частей, она целостноеприродное тело. Именно в этом контексте Вернадский рассматривает антропогенезкак космический процесс. Для Вер­надского человек – не просто мераорганизованности, космическая сила, но и формирующийся направляющий иорганизующий фактор самого процесса развития биосферы. Поэтому человек нетолько не является побочным продуктом эволюции природы или даже ее ошибкой, авыступает целью земного этапа эволюции материи.

Теория эволюции биосферы не может не быть также эволюцией человека какестественного тела природы. А значит, для природного существования человеканеобходимо три рода условий:

1. Космологические условия – некоторая совокупность и их определеннаясвязь физических констант, определяющих облик нашей Вселенной, спецификупротекания процессов, характер законов в познаваемой человеком частиуниверсума, особенности физических и химических взаимодействий, и др.

2. Экологические условия — включенность человека в эволюционносложившиеся связи и отношения организмов между собой и с фактораминеорганического происхождения. Занимаемая человеком экологическая ниша влияетна процессы развития человеческой популяции, возникновение рас и т.п.

3. Биологические условия – особенности организма человека, уникальность человечествав целом и каждого индивида в частности, определяемые, прежде всего,генетическими факторами.

Таким образом, возникновение человека до сих пор остается загадкой.Существует множество концепций антропогенеза, самыми распространенными вестествознании считаются теория Дарвина – Энгельса и теория Вернадского.

2.Физиология человека. Здоровье и работоспособность человека

Человек в рамках естествознания – это всего лишь животное, высшее,разумное, но все же животное. Даже самые высокие взлеты человеческого духаестествознание пытается объяснить биохимическими, физиологическими процессами,протекающими в организме человека.

Человеческий организм представляет собой сложный комплекс, состоящий изнескольких сложных взаимосвязанных и взаимодействующих систем, обеспечивающихжизнедеятельность человеческого организма. К ним относятся:

Кровь, лимфа, тканевая жидкость – внутренняя среда организма, обладающаягомеостазом, обусловливающая независимое существование организма человека. В1939 г. Р. Ланг ввел в науку понятие «система крови».

Функции этой системы:

1. Поддержание гомеостаза, т.е. совокупность приспособительных реакцийорганизма, направленных на сохранение динамического состояния его внутреннейсреды: температуры тела, кровяное давление и т.д. 2. Транспортная, т.е. переносгазов крови, питательных веществ, продуктов метаболизма. 3. Терморегуляторная.4. Защитная, т.е. участие в иммунных реакциях. 5. Экскреторная (выделительная)и др.

Система кровообращения – это сердце и замкнутая система кровеносныхсосудов, включающая артерии, капилляры, вены. Движение крови образует большой ималый круги обращения.

Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой жидкостипо направлению к сердцу, поддерживает объем и состав тканевой жидкости, переноситпитательные вещества из пищеварительного канала в венозную систему, участвует виммунных функциях организма. Лимфатическая система включает костный мозг,вилочковую железу, миндалины, лимфатические узлы, селезенку, лимфоидные узелкив органах пищеварения, лимфатические пути. Лимфа поддерживает белковоепостоянство крови (до 200 г белка в течение суток).

Дыхательная система обеспечивает ткани человеческого организма кислородоми освобождает их от углекислого газа, участвует в голосообразовании, обонянии идр.

Пищеварительная система состоит из пищеварительной трубки длиной 8-9- м икрупных пищеварительных желез – печени, поджелудочной железы, желудка, слюнныхжелез.

Выделительная система включает почки, кожу, легкие, железы сальные и потовые.

Иммунная и эндокринная системы включают железы внутренней секреции,которые осуществляют гормональную регуляцию организма и влияют на обмен веществи энергии, рост и развитие, размножение, адаптацию организма.

Нервная система обеспечивает взаимодействие с внешней средой и регуляциюработы всех органов и систем организма. Анатомически нервная система делится нацентральную и периферическую. Центральная нервная система состоит из головногои спинного мозга, в которых располагаются главным образом тела нейронов.Скопления тел нейронов образуют серое вещество головного и спинного мозга, аскопления их отростков – белое вещество. Нервы, отходящие от спинного иголовного мозга, разветвляются. Тонкие нервные волоконца пронизывают всеорганы, — так образуется периферическая нервная система.

Спинной мозг выполняет функции: 1) рефлекторную (двигательные ичувственные рефлексы), 2) проводимости (связь с головным мозгом).

Головной мозг состоит из 3 отделов:

1) задний (продолговатый мозг, мост и мозжечок); 2) средний (соединяетпередний мозг с задним); 3) передний (кора больших полушарий).

Функции отделов головного мозга:

1. Продолговатый мозг является непосредственным продолжением спинногомозга (напоминает его своим строением) и обеспечивает рефлексы кашля, чихания,пищеварения, сосания, сердечно-сосудистой деятельности, дыхания, равновесия. Отнего отходят нервы, управляющие деятельностью языка, глотки, гортани,щитовидной железы, крупных кровеносных сосудов, внутренних органов. Мостсодержит нервные пути, связывающие передний и средний мозг с продолговатым испинным мозгом.

2. Средний мозг обеспечивает двигательные рефлексы, здесь находятсянервные центры слуха и зрения.

3. В промежуточном мозге находится зрительный бугор – центр всейчувствительности, кроме обоняния; подбугорье – центр вегетативной системы,регулирующей все обменные процессы; эпифиз контролирует железы внутреннейсекреции, гормоны которых определяют пигментацию кожи в зависимости от освещенности.

4. Кора больших полушарий имеет толщину 1,3-1,4 мм и площадь около 2200см 2 и состоит из серого и белого вещества. Выполняет двигательные ичувствительные функции, здесь находятся речевой центр и сенсорная зона,отвечающая за оценку различных чувственных стимулов. Слуховой центр,расположенный в височной доле, анализирует звуковые раздражители; зрительныйрасположен в затылочной доле и отвечает за формирование зрительных образов;центры вкуса и обоняния находятся в переднем отделе.

Нервная система делится на соматическую (отвечает за чувствительность идвигательные функции) и вегетативную (иннервирует все внутренние органы ижелезы). Вегетативная нервная система обеспечивает регуляцию «растительных»функций, т.е. питание, дыхание, выделение, размножение. Она делится на дваотдела: симпатическая (центры расположены в грудных сегментах спинного мозга,вырабатывают норадреналин, который поддерживает организм в состоянии активности– сердце сокращается чаще, сильнее, помогая человеку справляться с нагрузкой) ипарасимпатическая (центры расположены в среднем, продолговатом мозге икрестцовых сегментах спинного мозга, вырабатывают ацетилхолин, которыйобеспечивает организму состояние покоя – сердце сокращается медленнее и меньшекрови выбрасывается).

Анализаторы – органы чувств (термин введен И.П. Павловым). Анализатор состоитиз трех отделов: периферический, проводниковый, центральный (корковый) ивыполняет следующие функции: воспроизводит внешние и внутренние раздражители(сигналы); передает информацию в кору больших полушарий; опознает сигнал (ввиде конкретного образа).

Таким образом, человек – это сложный высокоорганизованный комплексвзаимосвязанных и взаимодействующих систем обеспечения его жизнедеятельности.

Более ста лет назад выдающийся французский биолог и медик К. Бернар выдвинулидею единства здоровья и болезни, по существу, обосновал учение о гомеостазе. Влекциях о жизни животных и растений в 1878 г. он обобщил накопленный медицинойопыт и данные своих экспериментов и наблюдений. Утверждая единство здоровья иболезни, великий естествоис­пытатель писал: «Физиология болезней, конечно,заключает в себе процессы, которые могут быть присущи им специально, но ихзаконы абсолютно тождественны с законами, управляющими функциями жизни вздоровом состоянии». Идея единства здоровья и болезни, как двух качественноразличных феноменов, которые могут сосуществовать в индивидууме пронизывает современныеруководства по общей патологии. Сам организм (его центральная нервная система)может быть организатором пато­логических процессов. Это утверждениеосновывается на результатах большого количества экспериментов. Однако при этомособо подчеркивается тот факт, что организация (самоорганизация) пато­логическогопроцесса есть организация адаптивной программы в экстремальных, аварийныхусловиях среды. Идеи такого рода присутствуют в работах Н. П. Бехтеревой, Г. Н.Кржижановского и других ученых.

Современная медицина после долгих дискуссий стала определять здоровье человекакак нормальное психосоматическое состояние и способность человека оптимальноудовлетворять материальные и духовные потребности. Болезнь — нарушениеоптимального психосоматического состояния и способности удовлетворять своипотребности. Как видим, здоровье и болезнь определяются через понятие нормы,которая понимается как функциональный оптимум системы, а патология как нарушениеэтой нормы.

При анализе специфики здоровья обычно разграничивают понятия здоровьеиндивида и здоровье популяции. Здоровье индивида определяется сохранениемнормального функционирования его организма при максимальной продолжительностижизни. Здоровье популяции в отличие от этого характеризует процесс развитияжизнеспособности и трудоспособности человеческого коллектива в ряду поколений.Это развитие предполагает совершенствование психофизиологических,социокультурных и творческих возможностей людей. Таким образом, здоровьеиндивида выражается, прежде всего, в продолжительности жизни, а здоровьепопуляции – в показателях заболеваемости и смертности, росте хронической патологиии т д.

В 1947 г. Всемирная Организация Здравоохранения, основанная по инициативеООН, предложила краткую формулировку термина «здоровье». Здоровье — этосостояние полного физического, умственного и социального благосостояния. Оказывается,каждый человек рождается на свет с определенным запасом жизненной энергии,которой и определяется его жизненная роль. Этот запас у людей разный. Когдаорганизм переживает состояние стресса, все его жизненно важные системы и органыподвергаются перенапряжению и выходят из строя у конкретного человека взависимости от наибольшей уязвимости.

Многие надеются на то, что если после страшного перенапряжения хорошенькоотдохнуть, то можно вернуть прежнее состояние и силы. Это неверно. Эксперименты на животныхясно показали, что каждое такое воздействие оставляет неизгладимый след, таккак израсходованные адаптационные резервы не восстанавливаются. С другойстороны, попытка избежать всех форм стресса – не выход из положения. Исследованияпоказали, что сокращение активности также ведет к сокращению жизни. Другимисловами, и расточать жизнь, и бездействовать – одинаково плохо. Лучше всего умеренностьи равновесие.

Еще во времена Гиппократа было известно, что человеческие эмоции связаныс заболеваниями. Но только в 1818 г. Гетрус применил новый термин – психосоматическиезаболевания (с греч. «психе» — душа, «сома» — тело, т.е. мы имеет дело с «душевно-телесными»заболеваниями. При всех заболеваниях имеется взаимосвязь между эмоциями исостоянием организма. Почти все больные, независимо от того, знали они об этомили нет, имели предшествующие заболеванию эмоциональные переживания.

Когда человек не справляется с критическими стрессовыми состояниями, тоего мозг или организм обязательно выходят из строя. И если развивается какое-тозаболевание, оно ударяет по самым уязвимым местам на­шего организма. Гдепроявит себя болезнь, зависит от того, какие органы оказались «повышенночувствительны» в результате перенесенных детских заболеваний, наследственнойпредрасположенности или состояния нервной системы. Стрессы влияют на организмдвумя основными путями. Эмоции, связанные с проявлением враждебности иненависти, вызывают повышенную реакцию организма, а такие чувства, как страхили уныние – пониженную. Подобно тому, как мрачные мысли могут вывести вас изстроя, так светлые и добрые помогут сохранить наилучшее здоровье. Думайте всегдао хорошем. Соломон, один из мудрейших людей, когда-то живших на земле, говорил:«Веселое сердце благотворно, как врачевство, а унылый дух сушит кости».

К необходимым факторам здоровья и долголетия относятся и природныесредства: свежий воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физическиеупражнения, вода и правильное питание. Сотрудничество с природой помогаетвосстановить нарушенный баланс и гармонию в системах организма.

Движение и деятельность – закон существования. Польза человеческомуорганизму от физических упражнений неоценима, потому что они улучшаюткровообращение; предупреждают преждевременные сердечные заболевания;увеличивают доставку кислорода организму; способствуют пищеварению; успокаиваютнервы и уравновешивают эмоции; повышают сопротивляемость организма кзаболеваниям; снимают усталость; укрепляют мышцы, кости и связки; придаютфигуре стройность; обостряют умственные способности; усиливают самообладание,развивают ловкость; помогают противостоять неожиданным стрессам (физическим илиэмоциональным); улучшают функции желез; развивают силу, уверенность и волю;способствуют крепкому, полноценному сну.

Мало кто реально представляет себе, какую роль играет вода в нашей жизни.На 50—65 % человеческий организм состоит из воды. Мышцы содержат 75 % воды, идаже в костях ее больше 20 %. Каждая клетка нуждается в жидкости. Всехимические и электрические процессы в организме совершаются в жидкой среде. Всреднем человек должен выпивать 8 стаканов воды ежедневно.

Для нормального функционирования наш организм нуждается в определенномколичестве поваренной соли. Чрезмерное употребление соли может привести ксерьезным проблемам, в частности, к повышению кровяного давления.

Всем известно пагубное влияние сахара на состояние зубов. Научные исследованияпоказали, что избыточное потребление сахара значительно повышает уровеньхолестерина в крови, а это может привести к заболеваниям сердца. Так как мозгудля обмена веществ необходима глюкоза, всякое нарушение содержания сахара вкровяном русле приводит к нарушению работы клеток мозга. Подсчитано, что однабелая клетка крови – лейкоцит – может уничтожить около 14 болезнетворныхбактерий. Если же человек потребляет много сахара (24 чайных ложек в сутки),защитные способности лейкоцита слабеют, и он сможет одолеть лишь одну бактерию.Тот, кто потребляет много сахара, открыт для многочисленных инфекционныхзаболеваний.

Бывает, что человек чувствует себя хорошо, все органы и системы работают,казалось бы, нормально, но достаточно легкого сквозняка – и он уже во властинедуга: на несколько дней слег в постель с высокой температурой. Выходит, чтодаже при нормальных качественных показателях организм может быть чрезвычайноуязвимым, а значит, не абсолютно здоровым. Академик Г.М. Амосов предложилввести новый медицинский термин «количество здоровья» для обозначения мерырезервов организма. Есть скрытые резервы сердца, почек, печени. Выявляются онис помощью различных нагрузочных проб. Здо­ровье — это количество резервов ворганизме, это максимальная производительность органов при сохранениикачественных пределов их функций.

Сегодня вместо 100-120 лет мы живем в среднем 70, т.е. наша жизньукорачивается. Первой причиной этого, отнимающей у нас примерно 20-30 лет, считаютповседневную нагрузку на мозг – болезни, стрессы, переживания, неправильный образжизни. Второй причиной, отнимающей у нас примерно 10-20 лет, И. Мечников назвалсамоотравление гнилостными веществами из толстого кишечника. Регулярноупотребляя кисломолочные продукты, мы имеем все основания надеяться выиграть 10лет здоровой жизни.

Секрет долголетия кроется в пяти условиях жизни: закаленное тело, здоровые нервы и хорошийхарактер, правильное питание, климат, ежедневный труд.

Правильный образ жизни И. И. Мечников называл ортобиозом («орто» — прямой, правильный; «био» — жизнь). С точки зрения современной науки имеются восемьважнейших условий ортобиоза:

— труд;

— нормальный сон, он является средством восстановления сил мозга.

— положительные эмоции, их обеспечивают доброжелательное отношение кдругим людям, юмор, оптимизм. Надо фиксировать внимание на хорошем и уметьрадоваться.

Согласно теории американских ученых Р. Мелзаки, П. Уолл, положительныеэмоции как бы закрывают «болевой шлагбаум» в сером веществе спинного мозга, а отрицательные,наоборот, открывают его. Поло­жительные эмоции – универсальный исцелитель отмногих недугов, иногда даже от такого тяжелого заболевания, как рак. Например,американские ученые утверждают, что в Нью-Йорке зарегистрировано 20 больныхраком, которые излечились от него, не прибегая к помощи ни специальныхфармакологических веществ, ни радиоактивного излучения: всего-навсего с помощьюположительных эмоций (новая любовь, коренные изменения в жизни, общий оптимистическийнастрой).

— рациональное питание (по количеству и качеству). Знаменитый кардиолог Уайтговорил: чтобы не болеть атеросклерозом и дольше прожить, надо незлоупотреблять двумя вещами: желудком и будильником, т. е. кушать не досыта, аспать по потребности.

— избегать алкоголя и никотина. Алкоголь—яд для всех клеток тела. Слабеют нервные процессы,дрябнет сердечная мышца. Неблагоприятное действие оказывает алкоголизмродителей на потомство, повышая число детей с психическими и физическимидефектами. Табачный яд – целый букет вредностей. Никотин – нервно-сосудистыйяд. От инфаркта миокарда курящие умирают в 11 раз, от рака легких в 13 разчаще, чем некурящие. Живут они на 10 лет меньше.

— соблюдение режима, т.е. выполнение определенной деятельности организма в определенное время,что приводит к образованию в мозгу условных рефлексов на время. В результатепривычное время еды настраивает организм на прием, и переваривание пищи,привычное время для работы – на соответствующую форму деятельности

— закаливание организма, т.е. процесс приспособления организма к неблагоприятным внешнимвоздействиям, главным образом к холодовому фактору, причем приспособление этодостигается путем использования естественных сил природы – солнечных лучей,воздуха, воды.

— физические упражнения, достаточный объем двигательной активности.

Что такое работоспособность? С физиологической точки зрения,работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы кподдержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии сдвумя основными типами работ различают физическую и умственнуюработоспособность. Выделяют общую (потенциальную, максимально возможную работоспособностьпри мобилизации всех резервов организма) и фактическую работоспособность,уровень которой всегда ниже. Фактическая работоспособность зависит от текущегоуровня здоровья, самочувствия человека, а также от свойств нервной системы,индивидуальных особенностей функционирования психических процессов (памяти, мышления,внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразностивыполнения определенной работы и мобилизации для этого определенных ресурсоворганизма.

Работоспособность имеет следующие фазы:

— фаза мобилизации;

— фаза врабатываемости (постепенное приспособление организма к наиболееоптимальному режиму выполнения работы);

— фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации);

— фаза неустойчивости компенсации или субкомпенсации (происходит свое­образнаяперестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счетослабления менее важных функций. Эффективность труда поддерживается уже за счетдополнительных физиологических процессов, менее выгодных энергетически ифункционально. Например, в сердечнососудистой системе обеспечение необходимогокровоснабжения органов осуществляется уже не за счет увеличения силы сердечныхсокращений, а за счет возрастания их частоты)

— фаза «конечного порыва» имеет место при наличии сильного мотива к деятельности;

— фаза декомпенсации наступает при выходе за пределы фактической работоспособности,во время работы в сложных и экстремальных условиях, она сопровождаетсяпрогрессирующим снижением производительности труда, появлением ошибок,выраженными вегетативными нарушениями – учащением дыхания, пульса, нарушениемточности координации.

Периоды подъема и спада работоспособности чередуются в течение определенноговремени. Максимальные подъемы отмечаются в 10 –13 и 17-20часов. Минимумработоспособности приходится на ночные часы. Но и в это время наблюдаются физиологическиеподъемы с 24 до 1 часа ночи и с 5 до 6 часов утра. Периоды подъемаработоспособности в 5 – 6,11 – 12, 16 – 17, 20 – 21, 24 – 1 час чередуются спериодами ее спада в 2 – 3, 9 – 10, 14 – 15, 18 – 19, 22 – 23 часа. Этоучитывают при организации режима труда и отдыха. Интересно, что в течениенедели отмечаются те же этапы: в понедельник человек проходит стадиюврабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, ав пятницу и субботу у него развивается утомление.

Существуют и сезонные колебания работоспособности. В переходное времягода, особенно весной, у многих людей появляются вялость, утомляемость,снижается интерес к работе. Это состояние называют весенним утомлением.

Широкое распространение получила модная теория так называемых трехбиоритмов – физического, эмоционального и интеллектуального – со дня рождения.Такие циклы действительно существуют, причем они имеют связь с показателямиобмена веществ. Но их трудно прогнозировать с момента рождения из-замногочисленных привходящих факторов, вызывающих физические, эмоциональные,психические стрессы. Например, при напряженных тренировках спортсменов или вовремя студенческой сессии амплитуда соответствующих биоритмов была все время наподъеме, а частота увеличивалась. Это свидетельствует о том, чтопсихологические факторы сильнее природных датчиков ритма.

В последние годы обнаружены ритмы функционирования нервной, мышечной исердечнососудистой систем продолжительностью 5–16 дней. Их выраженность зависитот тяжести труда. У людей тяжелого физического труда они равны 5 – 8 дням, уработников умственного труда – 8 – 16 дням.

На работоспособность влияет и возраст. Установлено, что в 18-29 лет учеловека наблюдается самая высокая интенсивность интеллектуальных и логическихпроцессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13%, к 50 – на 20%, а ввозрасте 60 лет – на 25 %. По данным ученых Киевского института геронтологии,физическая работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50 – 60годам она снижается на 30 %, а в следующие 10 лет составляет лишь около 60 %юношеской.

Спад работоспособности связан с утомлением, которое долго считалиотрицательным явлением. Современные физиологи (академик А. Аршавский и др.)доказали, что утомление – это естественный процесс восстановленияработоспособности. Эксперименты показали, что физические нагрузки не сокращают,а наоборот, увеличивают продолжительность жизни.

Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из них связанос воздействием на нервную систему продуктов разложения, освобождающихся врезультате двигательно-мускульной деятельности. Психическое утомление проявляется:в понижении восприимчивости человека, в результате чего отдельные раздражителион вообще не воспринимает, а другие воспринимает лишь с опозданием; в сниженииспособности концентрировать внимание, в результате человек совершает ошибки; вуменьшении способности к запоминанию, трудностям в воспоминании уже известныхвещей, причем воспоминания становятся обрывочными, и человек не может применитьсвои профессиональные зна­ния в работе в результате временного нарушенияпамяти; в замедленности мышления, его неправильности, оно в какой-то меретеряет свой критический характер, гибкость, широту, человек с трудомсоображает, не может принять правильное решение; в области эмоциональнойвозникает безразличие, скука, состояние напряженности, могут возникнуть явлениядепрессии или повышенной раздраженности, наступает эмоциональнаянеустойчивость; в возникновении помех в деятельности нервных функций,обеспечивающих сенсомоторную координацию, в результате чего усталый человекмедленнее реагирует на внешние воздействия, одновременно теряет ловкость,скоординированность движений, что приводит к ошибкам, несчастным случаям.

После прекращения работы наступает фаза восстановления физиологических ипсихологических ресурсов организма. Однако не всегда восстановительные процессыпроходят нормально и быстро. После сильно выраженного утомления вследствиевоздействия экстремальных факторов организм не успевает отдохнуть, восстановитьсилы за обычные 6 – 8 часов ночного сна. Порой требуются дни, недели длявосстановления ресурсов организма. В случае неполного восстановительногопериода сохраняются остаточные явления утомления, которые могут накапливаться,приводить к хроническому переутомлению различной степени выраженности. Всостоянии переутомления длительность фазы оптимальной работоспособности резкосокращается или может отсутствовать полностью, и вся работа проходит в фазедекомпенсации. В состоянии хронического переутомления снижается умственнаяработоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает забывчивость, замедленностьи по­рой неадекватность мышления. Все это повышает опасность несчастныхслучаев.

Для предотвращения хронического переутомления необходима правильная,рациональная организация режима труда и отдыха. Для начинающегося переутомления(I степень) достаточно упорядочитьотдых, сон, занятия физкультурой, культурные развлечения. В случае легкого пере­утомления(II степень) полезен очередной отпуск иотдых. При выраженном переутомлении (Ш степень) необходимо ускорение очередногоотпуска и организованного отдыха. Для тяжелого переутомления (IV степень) требуется уже лечение.

Степень переутомления (по К. Платонову)

Симптомы I — начинающееся переутомление II – легкое переутомление III- выраженное переутомление IV – тяжелое переутомление Снижение работоспособности малое заметное выраженное резкое Появление сильной усталости при усиленной нагрузке при обычной нагрузке при облегченной нагрузке без всякой нагрузки Компенсация снижения работоспособности волевым усилием не требуется полностью компенсируется не полностью незначительно Эмоциональные сдвиги временами снижение интереса к работе временами неустойчивость настроения раздражительность угнетенное состояние, раздражительность Расстройства трудно засыпать и просыпаться сонливость днем бессонница

3. Высшиепсихические функции и их физиологические механизмы. Сознание и мозг

Материальные основы психической деятельности человека изучает физиологиявысшей нервной деятельности (ФВНД). Ее основоположником является великий русскийученый И.П. Павлов, создавший учение о безусловных и условных рефлексах какдвух формах поведения человека.

Безусловные рефлексы — видовые генетически закрепленные, стереотипныеформы поведения человека, они врожденны.

Условные рефлексы – индивидуальные приобретенные в процессе жизни иобучения приспособительные реакции, возникающие на основе образования временнойсвязи между условным раздражителем и безусловным актом. Значение условныхрефлексов в том, что они, будучи формой приобретенного поведения, являютсяосновой для развития, обучения, приобретения навыков, умений, знаний в процессеиндивидуального опыта человека.

ФВНД изучает сложнейшие проявления психики: сознание, мышление, память,внимание, эмоции и др.

Особенностью психических функций человека является наличие второй сигнальнойсистемы – особые условные рефлексы, вырабатываемые на слово. Слово – обобщенныйсигнал, имеет знаковую природу и заменяет конкретный предмет. Благодаря второйсигнальной системе у человека формируется абстрактно-логическое мышление.

Физиологические предпосылки сознания:

1. Оптимальное кровоснабжение мозга;

2. Оптимальный уровень возбудимости нервных центров. При низком уровневозбудимости сознание отсутствует (например, сон).

В самостоятельную группу выделяют неосознаваемые психические процессы, которыесоставляют сферу бессознательного. Сознание и бессознательное – взаимосвязанныеформы психической деятельности, которые осуществляются на уровне коры и подкорки.

Сознание – это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира.Это такое знание, которое существует и может быть передано в знаковой форме.

Итак, сознание – это одна из форм отражения материи. Отражение универсальноесвойство, присущее всей материи, ее важнейший атрибут. Отражение – этоспособность одних материальных объектов воспроизводить в своих измененияхсвойства других материальных объектов в процессе их взаимодействия. Сознаниеявляется результатом взаимодействия двух материальных объектов: человеческогомозга и предметного мира. На каждом уровне организации материи отражение имеетсвою специфику и форму. Из приведенной ниже таблицы видно, что взаимодействиеобъектов проявляется в определенных формах движения материи, результатомкоторых являются соответствующие формы отражения.

Таблица «Формы отражения материи»

Уровни организации материи Формы движения материи  Формы отражения

Органическая

природа

социальная сознание человека биологическая психика высших животных раздражимость Неорганическая природа химическая химическая (различные химические реакции) физическая физическая (оптические, акустические, электромагнитные и др.) механическая механическая (например, деформация)

Из таблицы видно, что сознание как форма отражения имеет социальнуюприроду и является высшим уровнем психической активности человека как социальногосущества.

Способом бытия сознания является речь. Речь — исторически сложившаясяформа общения людей с помощью знаков. Виды речи: устная, письменная,внутренняя. В речевой функции левому полушарию коры головного мозга принадлежитгосподствующая роль. Правое полушарие доминирует в процессах восприятияпредметов, геометрических фигур, деталей и образов. Эта межполушарнаяасимметрия доказана клинико-патологическими данными. Выявлены нарушения речи,связанные с поражением нижней лобной извилины; сенсорная афазия возникает припоражении задних отделов верхней височной извилины, при этом страдаетвосприятие речи на слух. Опыты показали, что у правшей в 75% случаев доминируетлевое полушарие. Люди с доминирующим левым полушарием тяготеют к теории, имеютбольшой словарный запас, им присуща двигательная активность,целеустремленность, способность прогнозировать события. «Правополушарный» человектяготеет к предметным видам деятельности, медлителен и неразговорчив, склонен ксозерцательности и воспоминаниям.

Исследуя взаимосвязь сознания и мозга, ученые сделали вывод о том, чтоправое полушарие мозга улавливает смысл, а левое подбирает слова. Чтобырассказать о том, что увидел, надо сначала уловить суть, а затем облечь ее вслова. Если человек не может этого сделать, значит, у него поврежденаопределенная зона головного мозга — таков традиционный взгляд на проблему.Однако сотрудник Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.СеченоваРАН М.А. Грицышина предположила, что разные этапы формирования высказываниясвязаны с разными отделами и полушариями головного мозга. Чтобы проверить это,она предлагала здоровым людям и испытуемым с очаговыми поражениями правого илевого полушарий головного мозга составить рассказ по сюжетной картинке«Гость» известного карикатуриста Х. Бидструпа. />Было проанализировано 73рассказа, 20 из которых принадлежали здоровым испытуемым, 40 рассказов — больным с поражением левого полушария головного мозга, а также 13 рассказов — больным с поражением правого полушария. Результаты анализа рассказовподтвердили предположения исследователя и выявили интересные закономерности.

/>Для понимания замысла художника необходимо иметь здоровое правоеполушарие. Люди с пораженным правым полушарием затруднялись определить сюжеткартинки. Эти трудности проявлялись по-разному, в зависимости от того, какаячасть полушария пострадала. При поражении передних отделов рассказчикиописывали отдельные эпизоды, но не могли сложить их в единое целое. Больные снарушениями в задних отделах такой проблемы не испытывали, но от них ускользалсмысл картинки. Они произносили многословный связный текст, который не имел прямогоотношения к сюжету рисунка, а был вызван скорее ассоциациями, навеянными этимрисунком.

/>Левое полушарие отвечает за то, как сформированный правым полушариемсмысл высказывания облекается в слова. Основную роль в подборе слов играютпередние отделы левого полушария. Больные с поражениями в этих областяхизъяснялись односложно. Они хорошо поняли сюжет, каждое использованное имислово относилось к сути этой простой истории, но связного развернутого рассказаэти люди составить не могли. При нарушениях в задних отделах левого полушариявсе наоборот: слова льются, но очень трудно подобрать подходящие к случаю.

Исследования М.А. Грицышиной позволили сделать выводы: 1) При поражениизадних отделов практически невозможно четко выразить мысль либо потому, что еетрудно уловить (правое полушарие), либо потому, что не удается подобрать нужныеслова (левое полушарие). 2) Передние отделы отвечают за связь отдельныхэпизодов в единое целое, причем правое полушарие объединяет понятия, детали,левое же связывает слова в предложения, а фразы друг с другом.

Сознание – это сложный феномен, имеющий определенную структуру, кудавходят три сферы: когнитивная, эмоциональная, мотивационно-волевая. Когнитивнаясфера включает в себя познавательные способности человека. К ним, в частности,относятся: чувственность (ощущения, восприятия, представления), мышление(понятия, суждения, умозаключения), внимание, память, воображение.

Внимание – это сосредоточенность, избирательная познавательнаянаправленность, нацеленность на определенный объект, значимый в данный момент.Физиологический механизм внимания – это 1) ориентировочный рефлекс, которыйзаключается в установке анализаторов на объект; 2) локальный процесс активиза­ции,основанный на явлении доминанты. Внимание бывает двух видов: произвольное(основано на сложных взаимосвязях в коре больших полушарий) и непроизвольное(связано с возбуждением подкорковых образований). Главную роль в обеспечениивнимания играет промежуточный мозг и ассоциативные зоны коры больших полушарий.

Память – это способность мозга хранить, перерабатывать и воспроизводитьполученную информацию. Виды памяти: зрительная (иконическая), слуховая(эконическая), моторная, словесно-логическая, ассоциативная. Левое полушариеобеспечивает словесно-логические способы запоминания, правое – наглядные образы.

Эмоциональная сфера сознания представляет собой субъективно — психологические переживания и включает в себя 1) инстинктивно-аффективныесостояния (неотчетливые переживания, предчувствия, смутные видения, галлюцинации,стрессы); 2) эмоции и эмоциональные состояния (гнев, восторг, страх, радость,отчаяние и т.д.); 3) чувства, отличающиеся большей отчетливостью, осознанностью(наслаждение, отвращение, любовь, ненависть и т.д.). Все эти разнопорядковыеявления обычно объединяются понятием «эмоции». Эмоция определяется какотражение ситуации в форме психического переживания и оценочного отношения кней. Эмоциональная сфера присутствует также и в познавательном процессе,повышая или, наоборот, снижая его эффективность. Об эмоциональной сфере болееподробно поговорим в следующей лекции.

Мотивационно-волевая сфера включает в себя потребности, интересы, цели,мотивы, которые реализуются всегда только благодаря волевой компоненте. Воля –это способность человека к достижению своих целей. Воля – это сознательноерегулирование человеком своих действий и поступков, требующих преодолениявнутренних и внешних трудностей. Волевое регулирование поведения человекадетерминировано условиями, в которых он живет и трудится. Воля не являетсяизолированным свойством психики человека, и поэтому рассматривается вовзаимосвязи с другими сторонами сознания.

Физиологические механизмы волевой активности представлены следующимобразом: в теменной части коры больших полушарий расположена двигательнаяобласть. Она связана со всеми участками коры, в том числе с корковыми концамивсех анализаторов. Эта связь дает возможность возбуждению, возникшему вкаком-либо участке коры, достигнуть двигательной области и вызвать в ней аналогичныйпроцесс. Так представлен элементарный путь прохождения информации, человеку жеприсуща способность накапливать информацию и действовать на ее основе. Как показываютисследования, исключительное значение в осуществлении волевой регуляции имеютлобные доли коры мозга. Их поражение приводит к абулии (болезненному безволию).Важное значение в общем механизме волевого регулирования имеет такжеретикулярная формация. Ретикулярная формация – это своеобразный фильтр,отбирающий одни импульсы и задерживающий другие. Общепризнанно также, чторетикулярная формация является своеобразным аккумулятором и пультом управленияэнергетическим снабжением коры.

Волевое действие включает в себя: цель, планирование и исполнение. Целиопределяются мотивами, т.е. потребностями, влечениями и желаниями. Частоосознание (или формирование) цели связано с борьбой мотивов, котораязаканчивается принятием решения. За принятием решения следует планированиеспособов достижения поставленной цели. Как только определены пути и способы,человек приступает к практическому осуществлению принятого решения.

Волевой акт совершается при большем или меньшем напряжении. Это такназываемое волевое усилие. Оно пронизывает все звенья волевого акта отосознания цели до практического ее осуществления. Волевое усилие зарождается ивозрастает по мере возникновения и нарастания трудностей, напряжений.

К волевым свойствам личности относятся: настойчивость, выдержка, самостоятельность,смелость, отвага, мужество, стойкость, дисциплинированность. Эти качестваформируются в процессе жизни и деятельности. У бездеятельных людей низкийуровень развития волевых качеств, их называют слабовольными.

4.Этология. Особенности поведения человека и животных

Исследование поведения человека показывают, что оно в основномопределяется генетическими особенностями и только часть признаков определяетсякультурой, образованием, воспитанием. То есть поведение человеческого индивидане выходит за рамки своего вида, как и у всякого филогенетически сложившегосявида.

Ученые ищут общее и различие в человеке и животных. Сходства человека иживотного определяются следующими признаками:

1) вещественным составом, строением, поведением организмов;

2) человеческий зародыш в своем развитии проходит те же стадии, которыепрошла эволюция живого;

3) у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важнейшиефункции у животных: копчик, аппендикс, волосы и т.д.;

Отличия человека и животного:

1) человек обладает разумом, т.е. он способен к понятийному, абстрактномумышлению. Чем выше эта способность, тем выше интеллект человека;

2) человек обладает речью, т.е. общение происходит с помощью слов, знаков– это видовой признак человека;

3) способность к труду. Только человек способен изготавливать ииспользовать орудия труда. Животное приспосабливается к окружающей среде, ачеловек приспосабливает ее к себе, т.е. преобразует.

Таким образом, очевидно, что различия имеют социальный характер.

Наука о поведении животных называется этологией. Основы этологии былизаложены в начале 30-х годов ХХ в. выдающимся австрийским биологом КонрадомЛоренцем. Этология изучает поведение животных преимущественно в свободныхусловиях. Исследования показали, что животные рождаются с заданными формамиповедения – инстинктами. Инстинкт – это единица поведения, определяемаягенотипом. Инстинкты специфичны для каждого вида и в процессе эволюции могутсовершенствоваться. Питанию, росту, размножению и самосохранению соответствуют4 вида инстинктов: голода, половой, агрессии и страха. Изучая животных, Лоренцвывел ряд врожденных запретов, которые не позволяют выполнять обычные программыповедения при общении с себе подобными. Все эти запреты возникают под жесткимдавлением отбора ради сохранения вида. Важнейшими из этих запретов являются следующие:

1. Не убей своего! Чтобы выполнять его, необходимо безошибочно узнаватьсвоих.

2. Нельзя нападать неожиданно и сзади без предупреждения и без проверки!

3. Нельзя применять убийственный прием в драке со своим!

4. Нельзя бить того, кто принял позу покорности!

5. Победа с тем, кто прав. Животное, защищающее свою территорию, своежилище, самку, детеныша, почти всегда выигрывает в конфликте.

Особенности социального поведения животных обусловлены тем, что ихсоциальное поведение – не случайность, а эволюционный механизм, возникновениекоторого определяется преимуществами общественной жизни. Социальные группымогут состоять из двух особей и до нескольких тысяч у насекомых. Анонимная стая– простейшая форма семьи. Безличная семья – замена одного члена семьи надругого остается не замеченной. Личные семьи – лебеди, дикие гуси.Иерархические группы: пчелы и термиты.

Данные этологии показывают, как много сходств у человека с животными.Однако на основании аналогий между поведением животных и человека делаютсяразличные выводы:

первая точка зрения К. Лоренца: человек по происхождению животное иобладает всеми его свойствами, включая биологическую основу мотивации егоагрессивного поведения. Эта позиция находит свое выражение в социобиологии,согласно которой в основе всех форм социального поведения человека лежатврожденные структуры. Образ жизни человека определяется его генами.

вторая точка зрения Вальтера Холличера: человек качественно отличается отживотного, и поэтому распространять закономерности животного мира начеловеческое поведение неверно и бесперспективно.

Уместно здесь вспомнить древнекитайскую мудрость: не все люди есть взверях, но все звери есть в людях.

С точки зрения социобиологии сложные поведенческие программы, присущиеживотному миру, следует рассматривать как естественное обоснование человеческойморали. Ведь большинство признаков, присущих человеку, генетически обусловлено.И только часть человеческих черт обусловлена воспитанием, образованием идругими факторами внешней среды обитания. Поэтому суть эволюции составляетпроцесс передачи генов от поколения к поколению. Все человеческие действия –это его поведение. Социобиологи, исследуя человеческое поведение, доказывают,что все наше поведение в значительной степени биологично.

Отвечая на вопрос о происхождении человеческой морали и высказываягипотезу о ее биологической природе, этологи открыли у животных большой наборинстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.

В качестве примера наличия некоторых «социальных» чувств часто приводятсобаку. Каждый, воспитывая собаку, может убедиться, как легко можно привить ейнекоторые наши правила, которые ей исходно совершенно чужды – понятливость ипослушность. Мы называем собаку другом человека. Некоторые люди спокойнооставляют ребенка на попечении своей собаки, страшного хищника, способногорастерзать даже взрослого и сильного человека. То есть люди доверяют ей.Доверяют устойчивым принципам ее поведения. Ведь собака, как и человек сморальными устоями, не может обидеть самку или детеныша, готова рисковатьжизнью за товарища, уважает смелость и прямоту и презирает трусость и обман.Она очень тонко чувствует, когда ее хозяин чем-то расстроен, и способна напроявление чуткости и сопереживания.

По мнению Конрада Лоренца, у животных есть мораль, это – создание естественнымспособом врожденного запрета выполнять обычные про­граммы поведения в некоторыхслучаях, возникающих при общении с себе подобными. Так как полезный необходимыйинстинкт остается неизменным (у хищника это загонять добычу, убивать ее, рватьна части и прочее), в осо­бых случаях, где его проявление было бы вредно,вводится специально созданный самой природой механизм торможения. Социобиологинаходят аналогии в культурно-историческом развитии человеческого общества:важнейшие требования всех моральных заповедей – это не предписания, а именнозапреты. Как врожденные механизмы и ритуалы препятствуют асоциальному поведениюживотных, так и человеческие табу определяют поведение людей и придают имморальную оценку. Все эти врожденные запреты возникают под жестким давлениемотбора ради сохранения и выживания вида. Как видим, с точки зрениясоциобиологов, человек – это животное. Поэтому необходимо понять, чтосоциальное поведение людей диктуется не только разумом и культурной традицией,но по-прежнему подчиняется еще и тем закономерностям, которые сложилисьфилогенетически, и мы можем хорошо их узнать, только изучая поведение животных.Многие в высшей степени сложные формы поведения – влюбленность, дружба, ревность,скорбь, власть – своими корнями уходят в биосоциальную эволюцию, поэтомуправомерно говорить об аналогиях между биологическими и социальными свойствамив сообществах высших животных и человеческого сообщества.

Основные понятия темы:

Антропогенез – процесс происхождения человека.

Здоровье – 1)нормальное психосоматическое состояние и способностьчеловека оптимально удовлетворять материальные и духовные потребности.

 – 2)это количество резервов в организме, максимальная производительностьорганов при сохра­нении качественных пределов их функций.

Ортобиоз – правильный образ жизни.

Работоспособность – это возможности организма при выполнении работыподдерживать структуру и энергозапасы на заданном уровне.

Отражение – это способность одних материальных объектов воспроизводить всвоих изменениях свойства других материальных объектов в процессе их взаимодействия.

Сознание – это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира.

Внимание – это сосредоточенность, избирательная познавательнаянаправленность, нацеленность на определенный объект, значимый в данный момент.

Память – это способность мозга хранить, перерабатывать и воспроизводитьполученную информацию.

Воля – это сознательное регулирование человеком своих действий ипоступков, требующих преодоления внутренних и внешних трудностей.

Эмоции – это своеобразные психологические состояния, выражающие особоеотношение человека к действительности в форме непосредственных переживаний.

Речь – исторически сложившаяся форма общения людей с помощью знаков.

Тема 17. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность

 

1. Эмоциии их роль в жизни человека

Эмоции – этосвоеобразные психологические состояния, выражающие особое отношение человека кдействительности в форме непосредственных переживаний. Радость, грусть, страх,восторг, отчаяние – это разнообразные чувства и эмоции. Человек всегдапроявляет свое отношение к происходящему, и оно выражается в удовлетворенностиили неудовлетворенности человека своими поступками, высказываниями,деятельностью. Другими словами, любые проявления активности человекасопровождаются эмоциональными переживаниями.

Эмоции, утверждал Ч. Дарвин, возникли в процессе эволюции как средство,при помощи которого живые существа устанавливают значимость тех или иныхусловий для удовлетворения актуальных для них потребностей. В разных условияхзначимость одних и тех же объектов бывает неодинакова. Стакан воды, выпитый дляутоления жажды, приносит удовольствие. Если же заставить пить воду человека, неиспытывающего жажду, то он будет переживать чувство неудовольствия. Мир чувстви эмоций очень сложен и многообразен. Тонкость его организации и многогранностьвыражения нередко не осознается самим человеком. Всем известно, как труднобывает рассказать о своих чувствах, выразить переживания в речи. Слова кажутсянедостаточно яркими и четко передающими различные эмоциональные состояния и ихоттенки.

Чем более сложно организовано живое существо, чем более высокую ступеньна эволюционной лестнице оно занимает, тем богаче та гамма всевозможныхэмоциональных состояний, которые оно способно переживать. Количество и качествопотребностей человека, в общем и целом соответствуют числу и разнообразиюхарактерных для него эмоциональных переживаний и чувств, причем, чем выше потребностьв своей социальной и нравственной значимости, тем возвышеннее связанное с нейчувство.

Основные эмоциональные состояния, которые испытывает человек, делятся насобственно эмоции, чувства и аффекты. Эмоции и чувства предвосхищают процесс,на­правленный на удовлетворение потребности, находятся как бы в начале его.Эмоции и чувства выражают смысл ситуации для человека с точки зрения актуальнойв данный момент потребности и могут вызываться как реальными, так и воображаемымиситуациями. Они, как и чувства, воспринимаются человеком как его собственныевнутренние переживания, передаются другим людям, сопереживаются.

Чувства – высший продукт культурно-эмоционального развития человека. Онисвязаны с определенными, входящими в сферу культуры предметами, видамидеятельности и людьми, окружающими человека. Предметом чувственного отношениячеловека могут стать исторические и социальные события, многое другое. Вотличие от эмоций, которые обычно возникают в ответ на воздействие отдельныхсвойств окружающей среды, чувства соотносятся с восприятием и оценкой сложныхпредметов, событий, людей, ситуаций. Они достаточно развиты лишь у человека, уживотных их нет.

Чувства выполняют в жизни и деятельности человека, в его общении с окружающимилюдьми мотивирующую роль. В отношении окружающего его мира человек стремитсядействовать так, чтобы подкрепить и усилить свои положительные чувства. Онивсегда связаны с работой сознания, могут произвольно регулироваться. Проявлениесильного и устойчивого чувства к чему-либо или к кому-нибудь называетсястрастью. Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течениедлительного времени, именуются настроениями. Настроение – это более или менеедлительное и устойчивое эмоциональное состояние, окрашивающее все другиепереживания и деятельность человека.

Аффекты – это особо выраженные эмоциональные состояния, сопровождаемыевидимыми изменениями в поведении человека, который их испытывает. Развитиеаффекта подчиняется следующему закону: чем более сильным является исходныймотивационный стимул поведения, чем больше усилий пришлось затратить на то,чтобы его реализовать, чем меньше итог, полученный в результате всего этого,тем сильнее возникающий аффект. В отличие от эмоций и чувств, аффекты протекаютбурно, бы­стро, сопровождаются резко выраженными органическими изменениями идвигательными реакциями.

Аффекты, как правило, препятствуют нормальной организации поведения, егоразумности. Они способны оставлять сильные и устойчивые следы в долговременнойпамяти. В то время как работа эмоций и чувств связана по преимуществу скратковременной и оперативной памятью. Эмоциональная напряженность в результатеаффектов накапливается и, если ей во время не дать выхода, может привести ксильной и бур­ной эмоциональной разрядке, которая, снимая возникшее напряжение,часто сопровождается чувством усталости, подавленности, депрессией.

Одним из наиболее распространенных в наши дни видов аффектов являетсястресс. Он представляет собой состояние чрезмерно сильного и длительногопсихологического напряжения, которое возникает у человека, когда его нервнаясистема получает эмоциональную перегрузку. Стресс дезорганизует деятельностьчеловека, нарушает нормальный ход его поведения. Стрессы, особенно если оничасты и длительны, оказывают отрицательное влияние не только на психологическоесостояние, но и на физическое здоровье человека. Они представляют собой главные«факторы риска» при появлении и обострении таких заболеваний, каксердечнососудистые и заболевания желудочно-кишечного тракта.

Страсть – еще один вид сложных, качественно своеобразных и встречающихсятолько у человека эмоци­ональных состояний. Страсть представляет собой сплавэмоций, мотивов и чувств, сконцентрированных вокруг определенного видадеятельности или предмета (человека). Как писал С. Л. Рубинштейн: «Страстьвсегда выражается в сосредоточенности, собранности помыслов и сил, ихнаправленности на единую цель… Страсть означает порыв, увлечение, ориентациювсех устремлений и сил личности в едином направлении, сосредоточение их наединой цели». Объектом страсти может быть и человек, и определенные вещи,вызывающие непреодолимое стремление к обладанию ими. Страсть всегда побуждаетчеловека к активности, она отличается стойкостью, длительностью времени, в течениекоторого она проявляется и владеет человеком. Страсти могут быть положительнымии отрицательными. Положительные, высокие страсти облагораживают жизнь, делая еесодержательной, интересной, красивой. Ничто великое на свете еще никогда несовершалось без великой страсти. Отрицательные страсти разрушительны дляличности, толкая на аморальные поступки, они губительны для человека и, как правило,ведут к трагедии.

Эмоции, чувства и состояния могут оцениваться и по таким параметрам, как:интенсивность, продолжительность, глубина, осознанность, условия возникновенияи исчезновения, действие на организм, динамика развития, направленность (насебя, на других, на мир, на прошлое, настоящее или будущее), способ их внешнеговыражения (экспрессия) и др. В целом же, чувства и эмоции не отделимы отличности. «То, что радует человека, что его интересует, повергает в уныние,волнует, что представляется ему смешным, более всего характеризует егосущность, его характер, индивидуальность» (В. Вундт).

Является ли эмоция нарушением поведения или, напротив, это организующаяреакция? Дарвин, Кеннон, Линер считали в целом, что эмоция является полезной, ичто она представляет собой адаптивный процесс благодаря осуществляемой еюэнергетической мобилизации в ответ на требования среды. Напротив, большинстводругих психологов рассматривали эмоцию как дезорганизацию, нарушениедеятельности. Именно это резкое нарушение адекватного действия, любого поискаадаптации, эта дезорганизация, распространение возбуждения на весь организм ихарактеризуют эмоцию. Так, эмоция вызывает нарушения памяти, навыков и вообщезамену трудных действий более легкими. Эмоция соответствует такому снижениюуровня адаптации, которое наступает, когда мотивация яв­ляется слишком сильнойпо сравнению с реальными возможностями субъекта. Эмоция — это страх, гнев,горе, иногда радость, особенно чрезмерная радость.

Например, студент, сдающий экзамен и имеющий избыточную мотивацию посравнению с его возможностями. При слабом уровне дезорганизации эмоция можетвыражаться в виде несвойственных ему и излишних негативных реакций: влажныеруки, общее напряжение, затрудненное пищеварение, возбужденность. Этиорганические расстройства, если они не слишком сильны, могут сочетаться с высокойуспешностью на экзамене. При более значительном уровне дезорганизацииэкзаменующийся теряется, приходит в замешательство, нарушения охватывают самупсихическую деятельность: возникает неясность мыслей, провалы памяти,вербальные затруднения. Вегетативные проявления могут стать еще более сильными:слезы, покрас­нение или побледнение, а иногда даже обморок. Как говорил Хоудж, «эмоциональныереакции обратно пропорциональны способности высших мозговых центровпротивостоять данной ситуации».

Эмоция возникает часто потому, что субъект не может или не умеет датьадекватный ответ на стимуляцию. Рассмотрим три группы ситуаций, которыехарактеризует новизна, необычность, внезапность. Разумеется, что многие ситуации обладаютнесколькими из этих признаков.

Ситуации являются новыми, когда мы совсем не подготовлены к встрече сними. Возникающее возбуждение может разрядиться лишь в виде эмоциональныхреакций. Хороший пловец, услышав призыв о помощи, не испытывает или почти неиспытывает эмоции, он плывет, но зритель, не умеющий плавать и остающийсяпассивным на берегу, волнуется. />

Возникновение эмоций связано с избыточной мотивацией. Часто избыточнаямотивация возникает из-за несоответствия мотивации субъекта обстоятельствам,которые не позволяют ему действовать. Например. Избыточная мотивация переддействием: волнение. В тех случаях, когда человек сильно заинтересован вкаком-то трудном деле, мотивация мешает ему отвлечься и думать о чем-то другом.Он испытывает волнение или тревогу, которые выражаются в возбуждении инеприятных вегетативных реакциях. Создается впечатление, будто неиспользованная энергия выливается в эмоциональные разряды. Чаще всего волнениепроходит, как только субъект начинает действовать. Избыточная мотивация последействия. Жане приводит случай с одним альпинистом, который поскользнулся и покатилсяв пропасть. Когда ему удалось удержаться и выйти к скале, где ему больше неугрожала никакая опасность, его охватила сильная дрожь. «Сердце, — рассказывалальпинист, — часто билось, тело покрылось холодным потом, и только тогда яиспытал страх, какой-то ужас». Случай с киноактрисой, автомобиль которойзанесло на повороте. Автомобиль перевернулся на бок; актрисе удалось выбратьсячерез окно автомобиля невредимой, после чего она упала в обморок. Избыточнаямотивация в социальном поведе­нии. Действие, легко осуществляемое, когдачеловек один, становится трудным, как только его нужно выполнить в присутствиидругого. Социальное поведение является более трудным, т.к. человек как бы«открывается» перед другими, выносит свои действия на суд другого или других.

Волнение, которое при этом возникает, весьма характерно. Мы не любим писать,когда кто-то заглядывает через плечо. Школьник, успешно работающий за партой,часто волнуется, сбивается, когда его вызывают к доске; говорят, что онтеряется. Избыточная мотивация при фрустрации. Фрустрация (чувство крушения)возникает всякий раз, когда физическое, социальное и даже воображаемоепрепятствие мешает или препятствует достижению цели. Сам термин «фрустрация» впереводе с латинского означает обман, тщетное ожидание. Фрустрация переживаетсякак напряжение, тревога, отчаяние, гнев, которые охватывают человека, когда напути к достижению цели он встречается с неожиданными помехами, которые мешаютудовлетворению потребности. Фрустрация создает, таким образом, наряду с исходноймотивацией новую, защитную мотивацию, направленную на преодоление возникшегопрепятствия, и реализуется в эмоциональных реакциях. Самой распространенной изних является агрессивность, направленная чаще всего на препятствия. Адекватнаяреакция на препятствие состоит в том, чтобы преодолеть или обойти его, если этовозможно; агрессивность же, быстро переходящая в гнев, проявляется в бурных инеадекватных реакциях: оскорбление, физические нападки на человека или объект.В некоторых случаях субъект реагирует на фрустрацию отступлением и уходом(например, выходит из комнаты), сопровождаемым агрессивностью, которая непроявляется открыто. Фрустрация влечет за собой эмоциональные нарушения лишьтогда, когда возникает препятствие для сильной мотивации.

Эмоции обладают заразительностью. Бывает, что ситуация как таковая, не вызвала бы у нас никакихэмоций, если бы только один или несколько из окружающих нас людей не испытывалиэмоций. Страх заразителен, как и радость, смех. Различают два типа случаевзаражения эмоциями: во-первых, случаи, когда одна и та же ситуация вызывает у несколькихиндивидов одинаковую реакцию страха, гнева или радости. В группе всегдапроисходит усиление аффективных состояний и эмоциональных реакций; во-вторых,случаи, когда эмоция овладевает человеком, хотя сама ситуация его не затрагивает.Бурная ссора двух людей может привлечь наше внимание или оставить нас равнодушными,но может и привести к тому, что мы сами будем охвачены гневом. В этом случае мыотождествляем себя с одним из ссорящихся. Таким же заразительным может бытьсмех. Мы можем засмеяться, потому что смеются вокруг нас.

Если часто повторяется ситуация, к которой невозможна адаптация, торазвиваются состояния тревожности или даже невротические состояния. В жизничасто бывают более или менее постоянные причины избыточной мотивации, чащевсего они социального происхождения: женщина боится оказаться покинутой,работник опасается увольнения, солдат боится быть убитым и т.п. Эти внутренниестрахи, которые не находят внешнего проявления, поддерживают более или менеевыраженное состояние тревожности. Такое состояние может возникнуть также из-занеразрешимого внутреннего конфликта.

Эмоции вызывают в организме множество характерных реакций. К ним относятся:

а) вегетативные реакции – изменение частоты сердечных сокращении,кровяного давления, сужения и расширения сосудов, изменение скорости амплитудыи ритма дыхания, температуры кожи, потоотделения, диаметра зрач­ка, секрециислюны. Наблюдаются расстройства пищеварительной системы, сокращение ирасслабление сфинктера, изменяется электрическая активность мозга, химический игормональный состав крови, мочи, слюны и т.д. Лишь немногие изменениявегетативных функций могут рассматриваться как характерные проявления эмоций.

б) мышечные реакции – увеличение мышечного напряжения. Когда мы говорим,что человек, только что переживший состояние эмоционального шока, «окаменел»,мы хотим тем самым подчеркнуть, что его мышцы находятся в состоянии гипертонуса.Его внешним проявлением является преобразование неиспользованной по назначениюэнергии в спазматические движения — смех, слезы, беспорядочные действия.

При чрезмерной активности наблюдается тем большее увеличение мышечногонапряжения, чем сильнее стремление субъекта подавить вызываемые стимуляцией движения;это напряжение еще более усиливается под влиянием социальных и моральных запретов.Напряжен юноша, не решающийся обнять нравящуюся ему девушку; напряжен ребенок,не желающий подчиниться какому-то требованию; напряжен человек, испытывающийстрах и не осмеливающийся убежать. Дети, воспитывавшиеся в большой строгости,сильнее скованы в движениях по сравнению с детьми, которым предоставляласьизвестная свобода. Лица, страдающие от различных конфликтов и даже сневротическими отклонениями, характеризуются, как правило, большей скованностьюдвижений, чем другие. Многие психотерапевтические приемы связаны со снятиемэтой напряженности. Аутогенная тренировка Шульца заключается в том, чтобынаучиться расслабляться, в результате чего уменьшаются раздражительность,тревожность и связанные с ними нарушения.

Среди внешних проявлений эмоций особую роль играет мимика и пантомима(движение мышц тела, жесты). У искренне радующегося человека округляются и блестятглаза, губы расплываются в улыбку, руки распахиваются для объятий. Обществопоощряет выражение одних эмоций и порицает другие. Западная цивилизация миритсясо слезами женщин, мальчикам же внушается, что мужчине не подобает плакать.Однако такой обычай существует не везде. Например, раньше юноши из племенимаори плакали также часто, как и женщины. Некоторые проявления радости и гневазависят от социальной среды, и воспитание направлено на то, чтобы подавитьнеодобряемые проявления эмоций. Общество создает настоящий язык мимики, которыйможет быть универсальным или, напротив, весьма специфичным, и часто непонятнымнепосвященному. Чтобы лучше понять поведение какого-либо народа, нужно знать нетолько его разговорный язык, но также и его язык тела. Психика человека настолькосложна, что не всегда по выразительным движениям можно определенно судить опереживаниях. Уже у подростка наблюдается несоответствие между эмоциями иформами их выражения. Чем старше человек или чем богаче его переживания, темболее сложны и многообразны формы их выражения. Накапливая жизненный опыт,человек научается искусно управлять своими переживаниями и их проявлениями.Нередко наигранной веселостью маскируется смущение, растерянность, а за видимымспокойствием скрывается неудовольствие или какие-то сдерживаемые переживания.

Важнейшие функции эмоций:

— сигнальная, т.е. переживаниявозникают и изменяются в связи с происходящими изменениями вне человека или вего организме.

— регулирующая, т.е. переживания, эмоции направляют наше поведение,поддерживают его, заставляют преодолевать встречающиеся преграды или мешаютдеятельности, блокируют ее.

— интегративно-защитная роль эмоций, на которую указывал известныйсоветский физиолог Л. К. Анохин. Он, в частности, писал: «Производя почтимоментальную интеграцию (объединение в единое целое) всех функций организма,эмоции сами по себе и в первую очередь могут быть абсолютным сигналом полез­ногоили вредного воздействия на организм, часто даже раньше, чем определенылокализации воздействий и конкретный механизм ответной реакции организма».Благодаря своевременно возникшей эмоции, организм имеет возможность эффективноприспособиться к окружающим условиям.

— мобилизационная, компенсаторная. Эмоции не всегда вызывают нарушениядеятельности, напротив, они способны мобилизовать человека, компенсироватьнедостаточность информации, недостаточ­ность возможностей человека по решениюпроблемы.

Можно привести немало примеров компенсаторного значения эмоций. Так,ярость помогает человеку бороться даже в тех условиях, где у него практическинет шансов на успех. Человек в состоянии чрезвычайного эмоциональноговозбуждения способен на гигантские мышечные усилия, на необычные для него формыдеятельности.

Никакой творческий процесс вообще невозможен без эмоций, без увлеченностипроблемой, деятельностью.

2.Воображение и творчество. Поиски алгоритма творчества

«Творчество, — подчеркивал Н.А. Бердяев, — всегда есть прирост,прибавление, создание нового, не бывшего в мире». Каждый человек являетсясуществом творческим. Во всяком процессе творчества есть свои стадии.Английский ученый Г.Уоллес выделил четыре стадии творчества: подготовку,созревание, озарение и проверку. Центральный момент творчества – озарение, интуитивноесхватывание нового. Интуиция – это непосредственное неосознанно полученноезнание. Оно может быть чувственным, рациональным или же эйдетическим. В первомслучае интуиция выступает как мгновенное чувство, во втором случае мы имеемдело с интеллектуальной интуицией, в третьем случае речь идет об эйдетическойинтуиции как единстве чувственного и рационального (согласно философскойтрадиции под эйдосом понимали то, что дано в мышлении и в то же время видимо).Поскольку пути возникновения интуиции не осознаются, постольку есть соблазнвидеть тайну интуиции либо в глубинах бессознательного (З.Фрейд), либо в«сверхсознании», под которым К.С. Станиславский, например, понимал высший этаптворческого процесса, отличный как от бессознательного, так и от осознанного.

Творчество как процесс создания чего-то нового частопредполагает, что человек может испытывать недостаток информации, знаний,умений для достижения цели, решения той или иной проблемы, осуществлениякаких-то действий. Именно поэтому ему необходимо сделать рывок в неизведанное,создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции,вдохновение, воображение помогают сделать этот «рывок в творчество». Огромнуюроль эмоций в творческом процессе подчеркивал В.И. Вернадский: «Говорят: однимразумом можно все постигнуть. Не верьте!.. Одна нить – разум, другая – чувство,и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве».

Развитие всех форм человеческой деятельности ставит задачу обучениятворчеству. Науку о творческой деятельности и методах обучения ей называютэвристикой. («Эврика!» означает «нашел!», название «эвристика» придумалдревнегреческий математик Папп). Сократические беседы, обмен мнениями,дискуссии, анализ проблемных ситуаций – все это способствует развитию духовных,творческих способностей личности.

Интуиция и творчество не поддаются логическому анализу и описанию. Однакомечта всех ученых – найти некий алгоритм творчества, прежде всего творческогорешения проблем. Созданы методы, которые называют эвристическими. Эти методы требуютмобилизации таланта, памяти, внимания, воображения субъекта. Философия имеетэвристический характер, поэтому ее изучение является одним из действенныхсредств постижения тайн интуиции и творчества. Эвристическим содержаниемобладают все принципы науки. Так, например, в физике действует принцип соответствия:должно быть соответствие между старой и новой теорией, в некотором пределематематический аппарат новой теории должен совпадать с математическим аппаратомстарой теории. Когда Лобачевский создавал свой знаменитый вариант неевклидовойгеометрии, то в качестве эвристического принципа он использовал постулат обобусловленности свойств пространства в микромире взаимодействием молекул,вследствие чего для описания этого пространства необходима особая неевклидовагеометрия. Таким образом, любые философские и научные положения, идеи, принципыимеют эвристический характер: они могут привести, а могут и не привести куспеху. Использование любых эвристик всегда связано с риском неудачи и,следовательно, требует осторожности.

Поиски алгоритма творчества привели кисследованию научного и технического творчества, которое рассматривается какнахождение принципиально нового решения научной или технической проблемы.Выявлена структура мыслительного процесса решения проблемы: 1) мотивация(желание решить проблему); 2) анализ проблемы; 3) поиск решения: а) использованиеимеющегося алгоритма; б) перебор вариантов с целью выбора наиболееоптимального; в) решение на основе комбинации отдельных звеньев из различныхалгоритмов; г) поиск принципиально нового решения (творческое мышление),связанный с углублением логических рассуждений, использованием аналогии,эвристических приемов.

Неудача на этом этапе вызывает целуюгамму эмоциональных состояний от отчаяния до страсти и одержимости. В этомслучае переключение на другую деятельность – лучший способ дать идее «созреть»,потому что внутренняя творческая работа не прекращается ни на миг.

Следующий этап творческого процесса –озарение, сопровождается вдохновением – небывалым подъемом внутренних духовныхсил человека, и проявляется как инсайт – мгновенное осознание решения проблемы,интуитивное мышление. К факторам, способствующим «озарению» относятся: а)высокая увлеченность проблемой (страсть); б) вера в успех; в) высокаяинформированность в проблеме, накопленный опыт; г) высокая ассоциативнаядеятельность мозга (во сне, при высокой температуре, лихорадке и т.п.).

4) Логическое обоснование найденнойидеи решения, доказательство правильности решения. 5) Реализация решения. 6)Проверка найденного решения и его коррекция (в случае необходимости возврат кэтапу 2).

Таким образом, выявленный механизм творческогопроцесса представляет собой движение: сознание /> бессознательное/>сознание.

Созданы и продолжают создаватьсяразличные приемы и методики усиления (развития) творческих способностей. Самыми«экзотические» из них являются приемы, разработанные и используемые Борисом Райковым.Это – внушение в состоянии гипноза воплощения в другую личность (выдающегосяхудожника, музыканта и т.п.).

Среди других специальных методикнаиболее известными, распространенными являются:

— «мозговой штурм» или брейнсторминг (А. Осборн, США) при работе вгруппе. Основные правила:

7-10 человек (из них только несколько специалистов);

запрет критики;

состояние релаксации, т.е. психической и мышечной расслабленности,комфорта;

все идеи фиксируются без авторства;

все собранные идеи передают группе экспертов для отбора наиболее ценных,как правило, таких бывает около 10 %.

— Синектический штурм (У. Гордон) включает 4основанных на аналогии приема: прямой (подумайте, как решаются задачи, похожиена данную); личной, или эмпатии (попробуйте войти в образ данного в задачеобъекта и рассуждать с этой точки зрения); символической (дайте в двух словахоб­разное определение сути задачи); фантастической (представьте, как бы этузадачу решали сказочные волшебники).

— Метод фокальных объектов (фокальный – находящийся в фокусе внимания):признаки случайно выбранных объектов переносят на рассматриваемый объект, врезультате чего получаются необычные сочетания, позволяющие преодолеватьинерцию и косность привычки.

— Метод морфологического анализа заключается в том, чтовначале выделяют главные характеристики объекта (оси), а затем по каждой из нихзаписывают всевозможные варианты-элементы. Имея запись по всем осям, и ком­бинируясочетания разных элементов, можно получить большое число всевозможныхвариантов. В поле зрения при этом могут попасть и неожиданные сочетания,которые едва ли пришли бы в голову.

— Метод контрольных вопросов: составляется целыйсписок наводящих вопросов (чем больше, тем лучше), типа: А если сделатьнаоборот? А если изменить форму объекта? А если взять другой материал? А еслиуменьшить или увеличить объект? и т.п.

Все эти методы влияют на целенаправленную стимуляцию ассоциативныхобразов, т.е. на воображение.

Воображение – процесс, создания новых образов (представлений) путемпереработки материала восприятий и представлений, полученных в предшествующемопыте.

Воображение бывает пассивным (сон, грезы) и активным. Активное воображениеделится на репродуктивное (воссоздающее) и продуктивное (творческое). Мечта –это тоже воображение, связанное с осознанием желаемого будущего.

Этапы творческого воображения: возникновение творческой идеи – замысел,«вынашивание» замысла; реализация замысла (воплощение смысла).

Основные приемы воображения:

— «агглютинация» — «склеивание» различных, порой несоединимых вдействительности частей, качеств;

— гиперболизация – увеличение и уменьшение предмета, изменение отдельныхчастей;

— схематизация (например, различия сглаживаются, сходство выступает явно);

— типизация – выделение существенного, повторяющегося в однородных образах;

— заострение – подчеркивание каких-либо отдельных признаков.

Язык воображения (и, прежде всего, искусства) – это метафора. Метафора представляетсобой выражение одного явления через другое, позволяющее в ряде сопоставленийудержать многозначный смысл. Метафоричность предполагает особый взгляд наокружающий мир, способность делать такие сравнения и сопоставления, которыепоказывают привычные вещи в необычном ракурсе. Метафоры позволяют увидеть мирсквозь призму воображения, т. е. создать новую реальность.

В середине ХХ века были сделаны попытки доказать на практике возможностьуправления творческим процессом. Осборн, Цвикки, Гордон утверждают: творческиеспособности развиваются посредством обучения. Фергюссон считает: творческиеспособности высвобождаются, поэтому лучшими формами являются игровые ипроблемные методы обучения. Однако все известные на Западе методы активизациимышления сохранили старую технологию решения творческих задач – перебор всехвозможных вариантов, т.е. «метод проб и ошибок».

Наш соотечественник Г.С. Альтшуллер разработал наиболее эффективныеметоды качественно новой технологии решения изобретательских задач – ТРИЗ. Воснове ТРИЗ лежит представление о закономерном развитии технических систем. Втечение более 10 лет автор исследовал патентный фонд, содержащий описаниямиллионов изобретений. Анализ позволил выявить ряд важнейших закономерностейразвития технических систем, которые легли в основу решения изобретательскойзадачи.

Особое внимание в этом методе сосредоточено на цент­ральныхэтапах творческого процесса – анализе задачи и формировании новой идеи,поначалу кажущейся невероятной.

Г. С. Альтшуллер пишет, что «суть ТРИЗ в том, что онапринципиально меняет технологию производства новых технических идей. Вместоперебора вариантов ТРИЗ пред­лагает мыслительные действия, опирающиеся назнание законов развития технических систем. Мир творчества ста­новитсянеограниченно управляемым и потому может быть неограниченно расширен». ОсноваТРИЗ – законы диалектики и законы общей теории систем, а также постулат обобъективном, закономерном развитии техники, принципом развития которой являетсятехническое противоречие. Выявлены типовые формы противоречий, для ихразрешения в ТРИЗ построены логические инструменты – «вещественно-полевой анализ»и «алгоритм решения изобретательских задач». Используя эти (или дополнительновведенные) ресурсы, разрешают техническое противоречие и устраняют конфликт,из-за которого возникла задача. Да­лее программа предусматривает развитиенайденной идеи, извлечение из этой идеи максимальной пользы. В программе, всамой ее структуре и правилах выпол­нения отдельных операций отраженыобъективные зако­номерности развития технических систем. Поскольку программуреализует человек, АРИЗ предус­матривает операции по управлениюпсихологическими фак­торами. Эти операции позволяют гасить психологическуюинерцию и стимулировать работу воображения. Значитель­ное психологическоевоздействие оказывает само существование и применение АРИЗ: программа придаетуверенность, позволяет смелее выходить за пределы узкой специальности и,главное, все время ориентирует работу мысли в наиболее перспективномнаправлении. АРИЗ имеет и конкретные психологические операторы, форсирующие воображение.

Таким образом, каждый человек обладает творческимиспособностями, но развить их можно только в процессе деятельности.Закономерностей художественного творчества не существует, хотя есть некоторыеобщие стадии в этом процессе. Научить художественному творчеству нельзя, можнонаучить ремеслу, т.е. репродуктивной деятельности. Продуктивное воображениеможно развить, но определяющую роль, конечно же, играет талант, индивидуальностьчеловека. Что же касается научно-технического творчества, то знаниезакономерностей развития технических систем помогает выработать некий алгоритмрешения изобретательской задачи.

3. Жизнькак ценность. Биоэтика

Биоэтика представляет собой новый раздел современной профессиональнойэтики и означает применение понятий и норм общечеловеческой морали к сфереэкспериментальной и теоретической деятельности в биологии и медицине. Еепоявление обусловлено возникновением таких проблем, которые раньше были простонемыслимы: целесообразно ли поддерживать жизнь смертельно больного человека илинеобходимо право на эвтаназию? Можно ли проводить эксперименты над животными илюдьми? Допустимо ли и оправданно клонирование животных и людей? Если биоэтикутрактовать не узко (медицински и биологически), а как широкую и философскиглубокую дисциплину, то ее центральное ядро – отношение к жизни и смерти. Жизньпонимается как самоценность, как высшая ценность. Поэтому возникают проблемы,которые выходят за рамки отношений врача и пациента, а именно отношение кжизни, животным, к биосфере и т. д.

Биоэтика возникла и стала интенсивно развиваться в начале 70-х годов XX века в США и Западной Европе.Большую роль в становлении биоэтики сыграла медицина, а также развитие генетики,осознание не только биологами, но и обществом возможных негативных последствийгенной инженерии. Парадоксально, но факт: именно новый уровень практическихвозможностей медицины и экспериментальной науки поставил перед учеными новыеэтические проблемы. Биоэтика возникла как ответ на технологические вызовы вмедицине. Новые технологии трансплантации органов, зарождения и поддержания жизнивступили в противоречие с традиционными культурными ценностями. Например, дляхристианства сердце – это не только важнейший биологический, но и духовныйорган человека.

Можно сказать, что биоэтика – это форма защиты прав человека, в том числеего права на жизнь, на здоровье, на ответственное и свободное самоопределениесвоей жизни.

Если мы будем рассматривать биоэтику не просто как анализ нормвзаимоотношений врача и пациента, а в более широком контексте, которыйопределяет отношение к жизни и смерти, к детству и старости, то в этом случаебиоэтика окажется системой ценностей. Она не только включает в себя этическиенормы отношения к животным, но и экологическую этику, этику отношений человекас биогеоценозами и со всей биосферой. Не только человек, но и вся природа окажутсясубъектами этических размышлений и моральной регуляции.

Мы находимся в самом начале пути по развитию биоэтики, хотя в США ужеиздана пятитомная энциклопедия по данным проблемам.

Выдвигаются и отстаиваются следующие постулаты:

·       Единство науки игуманистических ценностей.

·       Необходимостьставить гуманистические цели выше исследовательских.

·       Регулированиенаучных исследований, включая и запреты на некото­рые виды экспериментов,связанных с участием человека.

·       Разработка правилбиомедицинских работ с учетом прав личности, включая юридические нормы.

Очень важны вопросы неразрывной связи биоэтики с медицинской этикой иправом. Общественный смысл биоэтики заключается в том, что она являетсяконкретным проявлением гуманизма в медицине. Этот критерий является основным внаучных исследованиях по биологии и медицине. И какие бы цели ни ставилисьисследователями, гуманизм и безвредность для человека всегда должны стоять напервом месте – такой подход служит мерилом любой человеческой деятельности, втом числе и по ускорению научно-технического прогресса. В этой связи необходиморазвивать экологическую этику и разрабатывать специальный экологический кодекс.

Что нового в биоэтике сравнительно с традиционной врачебной этикой?Современный врач сталкивается с конфликтом «духа и буквы» клятвы Гиппократа,которая была незыблемой этической основой врачевания в течение двадцати четырехвеков.

Возьмем наиболее известную этическую заповедь Гиппократа – прежде всегоне навредить пациенту («в какой бы дом я ни вошел, я войду туда для пользыбольного, воздерживаясь от причинения всякого вреда и несправедливости»). Когдасовременные хирурги-трансплантологи пересаживают почку или долю легкого живогодонора (даже имея на это добровольное согласие донора) обреченному больному,приведенное этическое предписание по отношению к донору с очевидностью нарушается.Современный прогресс клинической медицины потребовал уточнения самого принципагуманизма. Соответствует ли гуманности искусственное оплодотворение илипрекращение жизнеподдерживающего лечения умирающего пациента? Подлинным началомдуховных исканий в биоэтике является тре­вога и забота о будущем человеческогорода. Когда американский биолог В. Р. Поттер предложил термин «биоэтика», назвавее «мостом в будущее», он был, несомненно, прав, так как биоэтика все болееявно становится поиском реальных путей к созданию глобальной этики человечествабудущего.

В современном обществе уже стали привычными такие понятия, как «право нааборт», «право на смерть» и т. д. Но, может быть, это есть квазиправо – оно неможет быть записано во Всеобщей декларации прав человека. В самом деле,сторонники права на аборт делают акцент на следующих аргументах: криминальныеаборты есть еще большее зло, общество должно уважать право женщины на свободноеи ответственное материнство; в особенности на ранних сроках беременностипонятие «эмбрион» не тождественно понятию «человек» и так далее. В то же времяони не придают должного значения другим аргументам: отмена запрета на абортпросто игнорирует моральный статус эмбриона, ценность жизни плода; аборт какморальный выбор самой женщины, врача-оператора, юристов, легализовавших такуюсоциальную практику, не свободен от противоречий.

Сторонники разрешения проблем умирающего больного с помощью активной эвтаназииговорят, что в этом заключается его «право на смерть». Есть потребность вдопустимости «убийства из милосердия» неизлечимо больного близкого человека.Следует признать, что такая ситуация является особенно психологическиубедительной, ведь здесь требование милосердного отношения к страданию,«смертной муке» другого человека может обрести силу категорического императива.Но это еще не значит, что такой выбор можно безоговорочно оправдать этически. Врач,осуществивший «убийство из милосердия», совершает отчаянный и рискованный шаг«по ту сторону добра и зла». При этом он обрекает себя на вечную (до концасвоей сознательной жизни) работу самооправдания: достаточно ли весомыми были втот момент его аргументы, когда он в привычных определениях добра и злаединственно по своей воле поменял местами знаки «плюс» и «минус».

Проблемы биоэтики обладают одним ярко выраженным качеством: в поисках ихрешения люди, вместо того чтобы приходить к какому-то общему решению, скореерасходятся во мнениях. Это происходит потому, что стороны делают акцент наразных аспектах одной проблемы и приходят в результате к разным выводам.Например, в вопро­се об абортах одна сторона делает акцент на правах матери, адругая — на правах внутриутробного ребенка. И каждая сторона по-своему права.

Биоэтика должна основываться на признании жизни высшей ценностью, и лишьв таком виде она может быть приемлема.

Основные понятия темы:

Эмоции – этосвоеобразные психологические состояния, выражающие особое отношение человека кдействительности в форме непосредственных переживаний.

Стресс – состояние чрезмерно сильного и длительного психологическогонапря­жения, возникающее у человека при сильной эмоциональной перегрузкенервной систем, и нарушающее нормальный ход поведения человека.

Фрустрация – чувство крушения, возникающее всякий раз, когда физическое,социальное и даже воображаемое препятствие мешает или препятствует достижению цели.

Творчество – деятельность по созданию чего-то нового.

Воображение – процесс создания новых образов путем переработкипредставлений, полученных из предшествующего опыта.

Эвристика – наука о творческой деятельности и методах обучения ей.

Интуиция – это непосредственное неосознанно полученное знание.

Биоэтика – это раздел современной профессиональной этики, применяющийпонятия и нормы общечеловеческой морали к сфере экспериментальной итеоретической деятельности в биологии и медицине.

Тема 17. Человек и биосфера

 

1. Эволюцияпредставлений о биосфере

КонцепцияВернадского о биосфере

Термин «биосфера» (буквально: «сфера жизни») впервые в таком значении былвведен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эд. Зюссом. До этогомногими исследователями понятие использовалось под другими названиями«производство жизни», «живая оболочка Земли» и т.п. В своей книге «Лик Земли» в1909 г. Зюсс определил биосферу как «совокупность организмов, ограниченную впространстве и времени и обитающую на поверхности Земли». Но он еще не замечалобратного воздействия биосферы на географические, геологические и космическиепроцессы. Однако уже Ламарк ясно указал на огромную роль живых организмов вобразовании земной коры: все вещества, находящиеся на поверхности земного шараи образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Идея о тесной взаимосвязи живой и неживой природы все настойчивее проникалав сознание ученых. На рубеже 19-20 вв. начинают господствовать идеи целостногоподхода – холистического – к изучению природы. В современной науке ониоформились в системной методологии. Результаты такого подхода сказались наисследовании воздействия биотических (или живых) факторов на абиотические (илифизические) условия. Например: состав морской воды определяется активностьюморских организмов; растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяютее структуру; живые организмы контролируют состав нашей атмосферы и др. Все этосвидетельствует о наличии обратной связи между живой и неживой природой, врезультате которой живое вещество в значительной мере изменяет облик нашейЗемли. Была поставлена задача – исследовать, каким образом и в какой мере живоевещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие наповерхности Земли и в земной коре. Эта задача была поставлена и решенавыдающимся русским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1863-1945), которыйв своей концепции биосферы центральным делает понятие «живое вещество» и определяетего как совокупность всех живых организмов. Кроме растений и животных, сюдавходит и человечество, влияние которого на геологические процессы отличается отвоздействия остальных живых существ. Во-первых, оно является более интенсивным.Во-вторых, воздействие человека носит активный, деятельный характер и представляетсобой окультуривание растений и животных, что обусловливает неразрывную связьживотного, растительного царств и культуры человечества в геохимической работеживого вещества как единого целого.

В «Мыслях и набросках» в 1920 г. он пишет: «Сознание человечествастановится той «силой», тем фактором, который мы должны принимать во внимание,когда изучаем всякий природный процесс». Так, В.И. Вернадский приходит кпонятию ноосферы, которое играет решающую роль в его концепции совместнойэволюции (коэволюции) биосферы и человека.

Одновременно с Вернадским концепцию биосферы разрабатывали французскиеученые. Сам термин «ноосфера» появился в 1927 г., его использовал Эжен Леруа влекциях 1927-28 учебного года в Сорбонне. Пьер Тейяр де Шарден выступилсоавтором его ноосферной концепции. При этом они опирались на идеи и понятияучения о биосфере и живом веществе, изложенные Вернадским в его лекциях вСорбонне 1922-23 учебного года.

В своей знаменитой книге «Феномен человека» П. Тейяр де Шарден изложилсвое понимание человека как вершины и сути эволюции космоса. Человек – это сложный,развернутый микрокосмос, содержащий в себе все потенции космоса. Жизнь ичеловек появляются на Земле в результате спонтанного зарождения и неразрывносвязаны с космическими процессами усложнения материи.

Американский биолог К. Саган постулировал общий космологический закон –«музыка жизни»: появление жизни есть непреложный факт космической эволюции втечение определенного времени порядка нескольких миллионов лет. Земная жизнь –частный случай проявления этой «музыки».

Таким образом, условия развития жизни на Земле определили ее развитие вкачестве целого, т.е. в виде биосферы – единого монолита живого вещества,организованность которого определяется преобладанием космической энергии исвязанными с этим космопланетарными биогеохимическими функциями. Другимисловами эволюция биосферы зависит от совокупности земных и космических явлений.

Человеческая мысль и человеческий труд обеспечивают уникальность феноменачеловека: в его жизнедеятельности законы природы и общества функционируют вединстве. Поэтому социально-историческое бытие человека встроено вкосмопланетарную организацию жизни в целом. Эволюция космоса предполагаетпереход биосферы в ноосферу. Однако Тейяр де Шарден и Вернадский по-разному этообъясняют. Шарден – религиозный философ, для него «ноосфера» — планетарный слойсознания и духовности. У Вернадского ноосфера – это гармония отношений человекаи природы, в которых человек самореализуется и выполняет свое космическоепредназначение. Ученый пришел к выводу о том, что эволюция человека и обществасделала цивилизацию мощным фактором всей дальнейшей эволюции на Земле.

Вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу ивключает: 1) живое вещество (совокупность всех живых организмов); 2) биогенноевещество; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и т.п.); 4) биокосноевещество (почвы, илы, поверхностные воды и др.); 5) радиоактивное вещество; 6)рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения.

Учение о биосфере связано с учением о почве, созданным Докучаевым, гдепочва рассматривается как самостоятельная часть природы, как единствоприповерхностных природных процессов, связывающих в одно целое горные породы,рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения ислой гумуса.

По мнению Вернадского, количество живого вещества в земной коре –величина постоянная. Биосфера – не просто одна из оболочек Земли, а это организованнаяоболочка. Быть живым – значит быть организованным. Организованность бытиясоздается и сохраняется деятельностью живого вещества, которая имеетбиогеохимическую форму. Другими словами, функционирование биосферы естьосуществление необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и потоков энергиимежду ее основными компонентами.

Усиливающееся вторжение человека в биогеохимические циклы должно привестик разумному целенаправленному контролю, т.е. формированию созидательногоколлективного разума – ноосферы, а это возможно только с преобразованием самогочеловека.

2.Ноосфера. Единство человека и природы. Русский космизм

Человечество своей производственной деятельностью оказывает исключительносильное влияние на биосферу, что ведет к ее перестройке и появлению ноосферы.Это понятие было введено в науку в 1927 году Э. Леруа. Под «ноосферой» онпонимал «мыслящую оболочку Земли, которая формировалась вне биосферы, как бысверху растительного и животного мира».

В.И. Вернадский в соответствии со своим учением о биосфере дал новоетолкование понятия «ноосфера». Ноосфера – это биосфера, преобразованная трудомчеловека и измененная научной мыслью, то есть под влиянием мысли биосферазакономерно переходит в ноосферу.

В настоящее время под ноосферой понимается особая область взаимодействиячеловека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельностьстановится основным определяющим фактором развития.

Ноосфера как высокоорганизованное состояние биосферы может возникнуть исуществовать только тогда, когда, во-первых, преобразующая деятельностьчеловека будет основываться на строго научном и разумном понимании всехпроисходящих явлений и процессов и обязательно сочетаться с «интересами»природы и, во-вторых, решится задача овладения в ближайшем будущем методамиуправления развитием биосферы и создания необходимых для этого средств.Структура ноосферы включает: человечество, социальные системы, науку, технику итехнологии в единстве с биосферой. Реально ноосфера предстает как техносфера,искусственное образование с ее собственными законами функционирования. Поэтому,если В.И. Вернадский связывал концепцию ноосферы с идеями рациональногоразвития биосферы, направляемого общим разумом людей, то в настоящее времяобразуется среда, которая начинает отрицать условия бытия человека какестественного существа. Ноосфера в своей ипостаси техносферы, порождаетэкологический кризис, ставя человека на грань выживания.

Человек, производство и природа – главные компоненты ноосферы. Это единаясистема, ибо человек для своего существования не может остановить нипромышленное, ни сельскохозяйственное производство, он не может отказаться отдостижений научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Ився планетная деятельность человека происходит в рамках природы, частью которойон является и без которой не может обойтись.

Природа оказывает существенное влияние на самые разные стороны жизничеловека и, прежде всего, на развитие материального производства. Многообразиесвойств природы явилось естественной основой разделения труда (охота,рыболовство, земледелие, скотоводство и другое). От особенностей природнойсреды зависят конкретные направления человеческой деятельности, в частностиразвитие тех или отраслей производства в различных странах и на континентах. Нетолько наличие тех или иных природных условий для производства, но и, наоборот,их недостаток также оказывал ускоряющее влияние на развитие общества.

Воздействие человека на природу проявляется в изменении структуры земнойповерхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственныхозер и морей и т.д.); изменении энергетического, в частности теплового, балансаотдельных регионов земного шара и всей планеты, изменение состава биосферы,круговорота и баланса слагающих ее веществ (выброс различных веществ ватмосферу и водные объекты; изъятие полезных ископаемых, изменение влагооборотаи т.д.); изменения, вносимые в биоту (совокупность живых организмов) врезультате истребления некоторых их видов, создание новых пород животных исортов растений, перемещение их на новые места обитания.

Таким образом, человек – социально активная часть природы, создающая врезультате своей преобразовательной деятельности ноосферу как синтез живого и разумного,единство природного и социального.

Ноосфера – феномен не столько природы, сколько космоса. Включенная всистему бытия человека она предстает как часть космоса. С другой стороны,космос как реальность, а не просто объект созерцания, открывается человекупосредством науки и техники. Космизм в некотором роде – это идеологиятехногенной среды. В обосновании и разработке этой идеологии активно участвовалинаши соотечественники Н. Федоров, К.Э. Циолковский, А.Л. Чижевский, В.И. Вернадский.

Космос для Н. Федорова – активное поприще человеческой деятельности. Онпредлагал свой вариант перемещения людей в космическом пространстве. Для этогонеобходимо овладеть электромагнитной энергией Земного шара, что позволитрегулировать его движение в мировом пространстве и превратить Землю вкосмический корабль («земноход») для полетов человека в Космосе. Объединив всемиры, человек станет «планетоводом».

По мнению К.Э. Циолковского, нравственная задача Земли состоит в том,чтобы внести свой вклад в совершенствование космоса. Для этого земляне должнывыйти в космос. Ученый предполагал, что жизнь и разум есть на других старшихпланетах. Со временем будет образован союз всех разумных высших существкосмоса. Сначала в виде союза населяющих ближайшие солнца, затем – союза союзови т.д. до бесконечности, поскольку бесконечна сама Вселенная.

А.Л. Чижевский исследовал влияние космоса, и, прежде всего, Солнца, набиологические и социальные процессы на Земле. Он является основоположникомгелиобиологии. Кроме того, он объяснял поведением и активностью Солнца войны,бунты, революции.

В.И. Вернадский говорил о влиянии Космоса на развитие биосферы. Живыеорганизмы трансформируют космическое излучение в земную энергию (тепловую,электрическую, химическую, механическую) в масштабах, определяющихсуществование биосферы.

Многие идеи русских космистов находят свое применение в областикосмических и биологических наук. Они подтверждают неразрывное единствочеловека и космоса, указывают на их тесное взаимовлияние.

3.Космические циклы и человек

Вернадский высказал предположение, что революционные изменения вморфологии живых существ связаны с такими критическими периодами геологическойистории, движущие причины которых находятся за пределами Земли, т.е. являются определеннымикосмическими воздействиями.

Человек как биосоциальное существо соединяет в себе многообразие ритмов,порожденное биологической и социокультурной эволюцией. Например, рассматривая вопрособ антропогенезе, Вернадский говорит о прямой связи его с ритмическимиизменениями климата на планете, гравитационные космические воздействия связаныс изменением орбит Земли и Солнца под воздействием других планет и галактик,гравитация обусловливает колебания скорости движения Земли, ее угловогомомента, — все это вызывает изменения атмосферно-океанической циркуляции. Загадочнароль магнитного поля Земли в изменении климата, а через него во влиянии набиосферу. Орбитальные климатические ритмы (циклы): 400 тыс.; 1,2 млн.; 2,5млн.; 3,7 млн. лет. Первый цикл (400 тыс. лет.) – основная причинапериодического изменения климата и эволюции организмов мира. Этот ритм былвыявлен геологами из последовательности ледниковых событий и только потом былобнаружен астрономами. Этот ритм делится на 6-8 фаз. Становление и развитиеживого вещества подчиняется этому климатическому ритму. Ритм управляет Вселенной.

С понятием ритма связано представление о гармонии, организованностиявлений и процессов. Из всех ритмических воздействий, поступающих из Космоса наЗемлю, наиболее сильным является воздействие ритмически изменяющегося излученияСолнца. На поверхности и в недрах нашего светила непрерывно идут процессы,проявляющиеся в виде вспышек. Мощные потоки энергии, выбрасываемые при вспышке,достигая Земли, резко меняют состояние магнитного поля и ионосферы, влияют нараспространение радиоволн, сказываются на погоде. В результате возникающих наСолнце вспышек изменяется общая солнечная активность, имеющая периоды максимумаи минимума. Солнце – мощный источник, который настраивает все земные процессы,в том числе и в обществе. Циклы Солнца – часы, регистрирующие смену егоактивности. Многочисленные исследования активности Солнца показали, что вовремя его наибольшей активности происходит резкое ухудшение состояния больных,страдающих гипертонической болезнью, атеросклерозом и инфарктом миокарда. Вэтот период возникают спазмы кровеносных сосудов, нарушения функциональногосостояния ЦНС.

Советский ученый В.П. Девятов подсчитал, что в первые же дни послепоявления пятен на Солнце количество автомобильных катастроф возросло примернов 4 раза по сравнению с периодами, когда пятен было немного. Это объясняют тем,что в период усиления активности Солнца реакция человека на любой внешнийраздражитель значительно замедляется. Излучение Солнца также оказывает влияниена умственную деятельность людей, на творческую активность человека и т.п.

Жизнь на нашей планете связана с вращением Земли вокруг своей оси,определяющим суточный ритм, и с вращением вокруг Солнца, от которого зависитсмена времен года. Большинство живых организмов подчиняется действию этихсезонных ритмов, которые определяют рост, развитие и гибель растений. ВращениеЗемли обусловливает ритмичное изменение факторов внешней среды: температуры,освещенности, относительной влажности воздуха, атмосферного давления,электрического потенциала атмосферы, космической радиации и гравитации.

Проблема суточных периодических изменений физиологических функций ворганизме человека с давних пор привлекает внимание ученых различныхспециальностей, прежде всего, биологов, физиологов, врачей. Знания, полученныев результате этих исследований, позволяют применять в определенные моментыболее целесообразный и эффективный метод лечения. Суточным ритмом охвачен весьорганизм человека. Ритмичность физиологических процессов, отражающая единствоорганизма и среды, проявляется в том, что их максимумы и минимумы приурочены копределенным часам суток. Физиологическая подготовка к активной деятельностипроисходит даже тогда, когда организм находится в состоянии сна. И, наоборот,организм человека готовится ко сну задолго до засыпания.

Основные понятия темы:

Биосфера – единый монолит живого вещества, организованность которого определяетсяпреобладанием космической энергии и связанными с этим космопланетарнымибиогеохимическими функциями.

Ноосфера – это биосфера, преобразованная трудом человека и измененная научноймыслью.

Ноосфера (Вернадский В.И.) – созидательный коллективный разум.

Живое вещество – совокупность всех живых организмов.

Гелиобиология – наука о влиянии активности Солнца на биологические исоциальные процессы на Земле.

Тема 18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современнойнауке

 

1.Глобальный эволюционизм

Современная естественнонаучная картина мира и сложна и простаодновременно. Сложна потому, что не согласуется с классическими научнымипредставлениями о природе. Идеи начала времени, корпускулярно-волновогодуализма, квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождатьвиртуальные частицы, – эти и другие подобные новации вызывают определенныесомнения в научности естественнонаучной картины мира.

Но в то же время она проста и стройна. Она динамична и ориентирована напроцесс. В ней утвердились убеждения в том, что материя, Вселенная в целом и вовсех ее элементах не могут существовать вне развития. Практически все отраслиестествознания пронизаны принципом эволюционизма.

В XX веке идея эволюции прорвалась вфизику и космологию. Уже сформулированы первые теории химической эволюции каксаморазвития каталитических систем. Современный эволюционизм в научныхдисциплинах биологического профиля предстает как многоплановое учение, ведущеепоиски закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровняхорганизации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционноми даже биогенетическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты намолекулярно-генетическом уровне: расшифрован механизм передачи наследственнойинформации, выяснены роли ДНК и РНК. В геологии окончательно утвердиласьконцепция дрейфа континентов, а такие науки, как экология, биогеохимия, антропологиябыли изначально эволюционны.

Только в конце XXвека естествознание приступило к созданию теоретических и методологическихсредств для построения единой модели универсальной эволюции, выявления общих законовприроды, связывающих в единое целое происхождение Вселенной, возникновениеСолнечной системы и Земли, возникновение жизни и, наконец, возникновениечеловека и общества. Именно такой концепцией и является концепция глобальногоэволюционизма.

Исходя из того, что суть эволюции состоит в интеграции более простыхэлементов в целостные образования более высокого уровня, в более сложныесистемы, характеризуемые новыми качествами, можно выделить важные фазы эволюцииокружающего нас мира:

·           космическаяэволюция (Большой взрыв, образование элементарных частиц, формирование атомов имолекул, возникновение галактик, звезд и планет и т.д.);

·           химическаяэволюция (образование системы химических элементов и соединений, возникновениеорганических соединений, полимеризация в цепи органических молекул);

·           геологическаяэволюция (образование структур земной коры, гор, вод и т.д.);

·           эволюцияпротоклетки (самоорганизация полимеров и хранение информации на молекулярномуровне, пространственная индивидуализация, возникновение молекулярного языка);

·           макро- имикроэволюция (развитие видов животных и растений и их взаимодействие,возникновение экосистемы на Земле);

·           эволюция человека(развитие труда, языка и мышления);

·           эволюция общества(разделение труда, общественная организация, техника, общественно-экономическиеформации и т.д.);

·           эволюцияинформации и обмена информацией, развитие связи, науки и др. форм сознания.

Корни такого понимания эволюции тесно связаны с новыми методамиисследования, разрабатываемыми в рамках синергетического подхода.

2.Самоорганизация как основа эволюции

Синергетический подход – это пример проявления интегративных тенденций всовременной науке. Он продолжает идеи и методы концептуального осмысленияпонятий саморазвития и самоорганизации, развитых в кибернетике, теории систем,нелинейной математике, компьютерном моделировании, современной физики на фонеэволюционных идей в биологии и социальных науках.

Главным противоречием естественнонаучной картины мира, включающей принципэволюции, было основное отличие живых структур от неживых. Оно выражается в естественномотборе, который реализуется посредством одного и того же генетическогомеханизма. Очевидным было и то, что движущая сила процесса саморазвития материив самом широком смысле заключается в специфических свойствах среды.

Для современной картины мира идея эволюционного подхода может показатьсядостаточно тривиальной. Однако проследить генетическую цепочку становления,функционирования и гибели отдельных форм и образований неживой природы на фоне«глобального эволюционизма» – не просто. Например, для химиков эволюция неисчерпывается возникновение и распадом межатомных, молекулярных структур. Посвоей сущности они являются определенным этапом развития материи в целом. Эторазвитие охватывает и вещество, и энергию в их неразрывном взаимодействии, онопротекает как эволюция систем, охватывающих гигантские объекты: звезды,туманности, планеты. Отдельные молекулярные образования являются лишь моментамиэтого процесса, который может быть полностью понят лишь в своей целостности, всвоем единстве.

Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественнойструктуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, какверно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными (на миллионы лет)остановками развития. Лишь формирование и становление придает ему непрерывностьи подчиняет более высокой форме движения материи: биологической, а затем – социальной.

В контексте синергетического подхода биологическая реальностьрассматривается уже как суперструктура, надстроенная над «безжизненной» физическойреальностью, она опосредована диссипативными структурами, существующими за счетобмена энергией и веществом с окружающей средой. Перед биологами возникаетпроблема «вписанности» живого в фундаментальные законы неорганического мира. Значительныйвклад в разработку проблемы включенности жизни в магистральную линию развитияматерии внесли исследователи автоволновых процессов в биологии, химии и физике.Автоволны выглядят как раскручивающаяся спираль (точнее, такие спирали являютсяцентрами автоволн). Каждая из них посылает волны, которые, встречаясь друг сдругом, претерпевают разрывы. Места этих разрывов сами становятся центраминовых спиралей, тем самым обеспечивается автоволновой режим. Наличие в средемногих центров самоподдерживающихся волн позволяет трактовать автоволновыепроцессы как синергетические (кооперативные) структуры. Автоволны – это широкийкласс процессов, который существенен для изучения механизма самоорганизации,присущей самым различным объектам.

Таким образом, во многих системах различного характера (физических,химических, геологических, биологических, географических и т.д.), активнопроисходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. Такиесистемы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации– от низших и простейших к высшим и сложнейшим.

Андрейченко Галина Владимировна,

Павлова Ирина Николаевна

Концепции современного естествознания

справочник для студентов

В авторской редакции