Реферат: Концепции современного естествознания
Тема 1. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯИ ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРА. НАУЧНЫЙ МЕТОД
1.ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ
Культура – в широком смысле есть совокупностьсозданных человеком материальных и духовных ценностей, а также самачеловеческая способность эти ценности производить и использовать. Соответственноразличают культуру материальную и духовную.
Одним из важнейшихкомпонентов духовной культуры является наука.
В начале 20 век сложилосьустойчивое представление о «2-ух культурах науки» — естественнонаучной (системезнаний о природе) и гуманитарной (система знаний о ценностях бытия человека иобщества).
Впервые эту идеювыдвинули представители неокатетианства (Виндельбанд, Риккерт) и философ жизни– Дильтей. Такое различие обусловлено спецификой объектов изучения этих наук.
КРИТЕРИИ РАЗЛИЧИЯ:
— объект исследования(естественная наука – природа; гуманитарная наука – человек, общество);
— метод исследования(естественная наука – «генерализирующий метод», т.к. ориентировано на общее,универсальное, а индивидуальное не имеет для них значения; гуманитарная наука –«индивидуализирующий метод», т.к. для них характерен интерес к индивидуальному,конкретному, уникальному);
— ведущая функция.Главная функция естественной науки – объяснение, т.к. все явления природыобусловлены и закономерны. Гуманитарная наука имеет дело с историческимисобытиями, человеческими чувствами, ценностями и т.д., которые подлежат пониманию.
— гуманитарные наукиидеологизированы, т.е. могут отражать интересы каких-либо социальных групп,классов, наций.
— естественные науки,имеющие своим объектом природу, идеологически нейтральны.
— количественные икачественные характеристики. Естественные науки делают упор на объективнуюколичественную характеристику объектов. В гуманитарных науках преобладаюткачественные характеристики.
Но эти различия не отменяютвзаимосвязи этих наук, комплексные исследования на основе взаимодействия естественныхи гуманитарных наук активно проводятся сегодня при исследовании биосферы,глобальных проблем и т.д.
ОСОБЕННОСТИ НАУЧНОГОПОЗНАНИЯ:
Наука – система знаний и деятельностьлюдей, направленная на достижение объективных истинных знаний одействительности.
1. Научное познание предлагает не толькоописание, но и объяснение фактов, выявление всего комплекса причин,порождающих явление;
2. Наука ориентирована на получениетакого нового знания, истинность которого не просто утверждается, но идоказывается;
3. Научное познание нацелено наобъективность открываемых истин (независимость от сознания человечества), т.е.на получение таких знаний, содержание которых не зависит не от человека, не отчеловечества.
4. Осознание методов, посредствомкоторых исследуется объект, контроль над самой процедурой получения новогознания.
5. Научное познание характеризуетсясистематизированностью, а также логической выводимостью одних знаний из других.
6. Выработка специального языка науки:четко фиксирующего смысл и значение понятий.
2. ДИСЦИПЛИНАРНАЯОРГАНИЗАЦИЯ НАУКИ
Современная наука – совокупность отдельных научныхотраслей, которые по предмету своих исследований делятся на:
1.естесственные,изучающие природу, её законы, способы освоения природы (химия, физика, биология).Заняты фундаментальными исследованиями.
2. общественные науки,изучают общество и различные общественные явления, законы их развития самогочеловека, как социального существа, различные общности людей и т.д. Средиобщественных наук выделяют социально- научные дисциплины (экономика,этнография, демография и др.) и выделяют гуманитарные, предметом которыхвыступают групповые ценности, идеалы, нормы и правила мышления и поведения(этика, правоведение, религовеедение, искусствоведение).
3.технические наукиизучают законы создания и функционирования сложных технических систем и функциив производственной и иной деятельности людей (радиотехника), как правило,являются прикладными.
3. УРОВНИИ МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
В структуре научногопознания выделяют 2 метода: эмпирический и теоретический. Они отличаютсяпо методам исследования и характеру полученного знания.
ЭМПИРИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ:
Основан нанепосредственном существенно-практического взаимодействии исследователя сизучаемым объектом. На этом уровне происходит накопление, фиксация, обобщениефактического материала для построения теорий.
Основными формами знанияявляются: научный факт и эмпирическое обобщение.
МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ:
Метод – способ достижения какой-либо цели,система правил и приемов познавательной и практической деятельности.
1. Наблюдение, измерение, сравнение,эксперимент.
Наблюдение — целенаправленное и организованное воспроизведениепредметов и явлений окружающего мира. Оно осуществляется без какого-либоизменения изучаемых предметов и явлений и вмешательства наблюдателя внормальный процесс их протекания.
Измерение – сравнение объектов исследования покаким-нибудь сходным свойствам и сторонам.
Эксперимент – используется, когда необходимаинформация о предмете. Это такой метод научного исследования, которыйпредполагает активное целенаправленное и строгоконтролируемое воздействиеисследователя на изучаемый объект с целью получения информации о его свойствахи связях.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ:
Связан с предметами иявлениями внешнего мира опосредованно через эмпирический уровень. На этомуровне происходит раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей,закономерностей, присущих изучаемым объектам и явлениям.
ФОРМЫ ЗНАНИЯ: гипотезы,теории, законы.
МЕТОДЫ: 1. Формализация– метод исследования, который заключается в использовании специальнойсимволики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперироватьвместо этого некоторым множеством символов (знаков).
2. Аксиоматический метод – построение теорий на основе аксиом– утверждений, не требующих доказательства их истинности (например, геометрияЕвклида)
3. Гипотетико-дедуктивный метод – создание системы дедуктивносвязанных между собой гипотез, из которых выводится утверждения об эмпирическихфактах.
А также: системный,структурно-функциональный, математического моделирования.
4. ОБЩЕНАУЧНЫЕМЕТОДЫ
Применяются на всехуровнях научного познания: анализ – мысленное расчленение объекта насоставные элементы с целью их всестороннего изучения; синтез –объединение отдельных элементов в единое целое; абстрагирование –отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношенийизучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений;моделирование – исследование моделей, замещающих оригинал с определенныхсторон, интересующих исследователя.; индукция – метод исследования, прикотором общий вывод строится из частных посылов; дедукция – методисследования, посредством которого из общих посылок следует заключение частногохарактера.
Тема 2. ЛОГИКАИ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ НАУКИ. СОВРЕМЕННАЯ НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА
1. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ,ИНТЕГРАЦИЯ И МАТЕМАТИЗАЦИЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУКЕ
Дифференциация — создание новых научных отраслей врезультате расчленения традиционных наук на новые (например, из некогда единойнауки о живых организмах выделились экология, цитология, физиология, генетика).В свою очередь новая наука генетика предстает в разных видах: эволюционная, молекулярная,популяционная.
Дифференциация носит вцелом прогрессивный характер, способствуя более тщательному и глубокомуизучению отдельных явлений и процессов определенной области деятельности, ноэтот процесс имеет и негативный момент – чрезмерная дифференциация заслоняет отисследователя цельный образ изучаемого предмета, характеризующие его общиезакономерности. Это ведет к разобщенности научных знаний. Этот недостатоквосполняется противоположной тенденцией – интеграцией знаний (20 в.).Интеграция характеризуется:
1. Комплексом взаимодействия наук, наоснове изучения единого объекта, созданием общенаучных теорий (квантоваямеханика, теория электромагнетизма и т.д.).
2. Образованием междисциплинарных наук,находящихся на стыке нескольких традиционных наук (биофизика, геохимия и др.).
В последнее времятенденция к интеграции наук становится ведущей.
Математизация – особая роль математики вестествознании, обусловленная тем, что она является всеобщим универсальнымязыком для различных естественных наук, пронизывает все основные стадиисовременного естественнонаучного процесса познания, такие как
— сбор и обработкаколичественной информации;
— возможность проверкигипотез, лежащих в основе законов;
— построениематематического аппарата;
— моделирование природныхпроцессов и явлений.
По мере своего развитияестествознания использует все более совершенный математический арсенал высшейматематики: дифференциация и интеграция исчисления, дифференцированныеуравнения, математическую статику.
2. НАУЧНАЯКАРТИНА МИРА. ПРИНЦИПЫ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Естественнонаучнаякартина мира – частьобщей научной картины мира, включающая систему представлений о природе,складывающихся в результате синтеза достижений естественных наук. Она содержитпредставления о живой и неживой природе. В структуре естественнонаучной картинымира выделяют также специальные научные картины мира отдельных наук,представляющих систему знаний о фрагменте материального мира, который изучаетсяв данной науке ее методами – физическая, астрономическая, биологическая картинымира.
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА:
1. системность. Означает, во-первых, что Вселеннаярассматривается как наиболее крупная из всех систем, состоящая из множестваэлементов, подсистем разного уровня, сложности; во-вторых, иерархичность –включение систем нижних уровней в системы более высоких уровней.
2. глобальный (универсальный)эволюционизм –распространение принципа эволюции на все сферы действительности: отэлементарных частиц до космических систем. Эта концепция позволяетрассматривать неорганическую природу, мир живого (органическую природу) ичеловеческого социума как единый эволюционный процесс.
3. самоорганизация (синергетика пронизывает все областизнания) – способность материи к самоусложнению и созданию все болееупорядоченных структур в ходе эволюции.
Синергетика (теория самоорганизации) появилась в70-е годы 20 в. Основатели – Хакен, И. Пригожин. Главная идея — это идея опринципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации избеспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Предметом синергетикиявляются сложные самоорганизующиеся системы.
СВОЙСТВАСАМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ:
1. открытость. Большинство известных системявляются открытыми, т.е. они обмениваются энергией, веществом, информацией сокружающей средой, в ходе которого происходит приспособление всех элементовсистемы к изменяющимся условиям её существования.
2. неравновесность. Открытые системы являютсянеравновесными, т.е. они находятся в состоянии далеком от термодинамическогоравновесия. В неравновесных системах вместо ожидаемого хаоса и беспорядканаблюдаются эффекты упорядоченности и самоорганизации. Под самоорганизациейпри этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы к более упорядоченнымформам организации (например, наглядным примером является механизм действиялазера).
Возникновение порядкапроисходит через флуктуации, т.е. случайных отклонений системы отнекоторого среднего состояния.
Флуктуации расшатываютпрежнюю структуру и приводят к новой. Этот переход характеризуют каквозникновение порядка из хаоса. Иногда эти флуктуации могут усиливаться, итогда существующая организация не выдерживает и разрушается. В такие переломныемоменты (точки бифуркации) дальнейшая эволюция системы непредсказуема. Возможенлишь вероятностный прогноз нескольких альтернативных вариантов дальнейшегопротекания событий. Ключевую роль играет случайность. Из-за действияслучайности невозможно предугадать дальнейшее развитие.
Процесс возникновения.Бифуркация делает эволюцию неравновесную систему скачкообразной и нелинейной, аотсюда следует, что стержнем качественных изменений, произошедших в современныхпредставлениях о природе и мире в целом, является признание неустойчивости инестабильности в качестве фундаментальных характеристик мировоззрения.
Согласно современнымпредставлениям синергетики мир построен на ожидании непрерывных кризисов (точекбифуркации), моментов, когда приходится принимать, то или иное решение.
3. НАУЧНЫЕРЕВОЛЮЦИИ
Научные картины мирасменяются одна за другой.
Научная революция – радикальная смена научной картинымира — это процесс перехода от одного способа познания к другому, отражающийболее глубинные связи и отношения природы. Таких радикальных смен научныхкартин мира, т.е. научных революций в истории науки можно выделить три:
1.Аристотелевская; 6-5в. До н.э.
В 6-5 в. До н.э. былаосуществлена первая революция в познании мира, в результате которой и появиласьна свет сама наука. Исторический смысл этой революции состоит в отличении наукиот других форм познания мира, в создании определенных норм и образцовпостроения научного знания. В этот период создаются математические модели,формируются ценные идеи ряда будущих наук (физики, биологии и др.). Первуюуниверсальную систему мира создал Аристотель. В ней были объединенысистематизированные и логически развитые все накопленные знания о природе.Аристотель впервые попытался дать классификацию наук, создал космологическоеучение, в основе которого геоцентрическая модель мира – земля имеетформу шара и является центром Вселенной. Это учение Аристотеля впоследствииобоснованное Птолемеем заняло господствующее положение в космологии до 16 в.Все дальнейшее развитие науки как в античности так и в средние века в Европеосуществлялось в рамках учения Аристотеля.
2.Ньютоновская. Означает возникновение новогоестествознания, связанного с именами Коперника, Кеплера, Ньютона.
1) Разработана гелиоцентрическаякартина мира Коперника – Земля не является центром Вселенной. Она вращается вокругсвоей оси и вместе с другими планетами – вокруг Солнца.
2) 16 – 17 вв. – периодпреимущественного развития механики. Возникает новая тенденция – сведение всехзнаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики.Формируется механистическая картина мира, становление которой связано сименем Галилея. Он первым возвел механику на уровень теоретической науки. Ввелв механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений.
Ньютон создал системуклассической механики, определившей лицо естествознания вплоть до20 в.
ОН сформулировал 3основных закона динамики, которые легли в основу механики как науки и законвсемирного тяготения. Создал (одновременно с Лейбницем) принцип дифференциациии интеграции исчислений, который стал математической базой всего современногоестествознания.
Итогом Ньютоновскойреволюции явилась механистическая картина мира на базеэкспериментально-математического естествознания.
3.Эйнштейновская.Конец 19-го – начало 20-го века.
В начале 20 века на сменуклассической механике пришла новая фундаментальная теория. Она была следствиемряда научных открытий конца19-го – начала 20-го века.
— открытие электронаТомпсоном;
— рентгеновские лучи;
— явление радиоактивности(Беккерель);
— экспериментальное обнаружениеэлектромагнитных волн (Герц);
— создание Периодическойсистемы химических элементов Менделеева.
Появляются принципиальноновые фундаментальные теории:
1. Теория относительности – новая теорияпространства, времени и тяготения.
2. Квантовая механика, обнаружившаявероятностный характер законов микромира.
Они позволили объяснитьмногие физические явления, которые не укладывались в рамках классическоймеханики.
Вывод: Таким образом, открытия в физике конца 19-го – начала20-го века окончательно разрушили прежнюю механистическую картину мира.Наступил новый этап неклассического естествознания 20-го века,характеризующийся новыми квантовыми релятивистскими представлениями офизической реальности.
Тема 3. КУЛЬТУРНЫЙУРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
1. СИСТЕМНО-СТРУКТУРНЫЙХАРАКТЕР ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
В основе современных представлений оборганизации материи лежит системный подход. С этой точки зрения любой объектматериального мира может быть рассмотрен в качестве системы.
Система – совокупность элементов и связеймежду ними, образующие определенную целостность.
Элемент – означает неразложимый компонент,входящий в состав определенной системы.
Неделимое в одной системеможет оказаться делимым в другой системе, например, макротело можнорассматривать как определенную систему молекул, но любая молекула такжеявляется системой, т.к. состоит из атомов и определенной связи между ними, ноатом также представляет собой систему (ядро + электронная оболочка). Ядрокаждого атома имеет свою внутреннюю структуру и т.д.
Структура – совокупностьсвязей между элементами системы.
Итак, все природныеобъекты объединены в классы материальных систем, в естествознании выделяют 2класса материальных систем:
— система неживойприроды;
— система живой природы.
Неживая природа имеет следующиеструктурные уровни:
— микроэлементарный(элементарные частицы, физический вакуум);
— атомарный;
— молекулярный;
— макроскопические тела;
— планеты и планетарныесистемы;
— галактики (звезды извездные системы);
— система галактик –Метагалактика.
Живая природа:
— доклеточный уровень(белки, нуклеиновые кислоты);
— клеточный уровень;
— многоклеточныеорганизмы (животные и растения);
— популяции;
— биоценозы;
— биосфера.
С точки зрения системногоподхода существуют структуры различного масштаба. В зависимости от размеровструктур выделяют 3 уровня строения материи:
2. МАКРОМИР
Включает объекты,окружающие нас в повседневной жизни, пространственные величины выражаются здесьв количественных мерах, а время в секундах, минутах, часах.
МИКРОМИР – мир чрезвычайномалых частиц, которые непосредственно ненаблюдаемы.
Пространственные частицы(от 10‾8 до10-16 см)
Время жизни (от ∞до 10‾24 с).
3. МЕГАМИР
Космические объекты.Расстояние измеряется световыми годами, время – миллионами и миллиардами лет.
4. МАКРОМИР:КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Закономерности движениятел, составляющих микромир, описываются классической физикой, в основе которойлежат законы классической механики Галилея – Платона.
Классическая механикаобъясняла все явления природы механическим перемещение тел.
Абсолютизация законов механикипривела к созданию механистической картины мира, с точки, зрения которой 1.материя отождествлялась с веществом, состоящим из неделимых мельчайших частиц –атомов или корпускул. 2. пространство и время рассматривались в отрыве друг отдруга и от движения материальных тел. 3. движение рассматривалось лишь какмеханическое перемещение тел в соответствии с законами механики. 4. действиетел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно долгиерасстояния (принцип дальнодействия). 5. принцип механического детерминизма: всемеханические процессы связаны между собой такими причинно-следственными связями,таким образом, что значение координат и импульсов всех частиц в данный моментвремени совершенно однозначно определяет его состояние в любой прошедший илибудущий момент.
Дальний принцип придавалуниверсальный характер законам механики отвергал существование случайности вприроде.
Классическая механика объясняетбольшинство физических явлений и процессов в земных и наземных условиях.
Долгое время считалось.Что она может дать теоретическое объяснение любых явлений природы, нопоследующие открытия в науке обнаружили, что в рамках классической механикивозникли трудности, в частности, в объяснении оптических и электромагнитныхявлений.
Оптика: в конце 17 векавозникли 2 противоположных подхода к объяснению природы света:
1. Корпускулярная теория Ньютона, согласно которой свет представляет собойпоток материальных частиц – корпускул, испускаемых светящимися телами илетящими по прямолинейным траекториям, согласно законам механики.
Эта теория объясняламногие явления, но испытывала трудности в объяснении явлений интерференции(явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг надруга), дифракции (огибание светом препятствий).
Одновременно голландскийученый Гюйгенс выдвинул волновую теорию, согласно которой свет представляетсобой волну, распространение которой аналогично распространению волн наповерхности воды. Особой средой для распространения волн он считал эфир.
Но авторитет Ньютонаспособствовал тому, что большинство ученых придерживалось корпускулярной теориисвета.
Но в начале 19-го века скритикой корпускулярной теории выступили Юнг и Френель, которые объяснилиявления дифракции и интерференции с позиции волновой теории.
В результате волноваятеория получила экспериментальное подтверждение.
Электромагнитные явления:
Одновременно свозникновением волновой теории создается электромагнитная теория света.Решающую роль в этом сыграло изучение электромагнитных процессов.
В 1820 году Эрстетобнаружил, что электрический ток создает вокруг себя электромагнитное поле.Позже Фарадей высказал предположение о единстве электрических и магнитных явлений.Открыл явление электромагнитной индукции и ввел в науку понятие «поля». Этопонятие противоречило представлениям классической физики о материи, каксовокупности атомов.
На основеэкспериментальных данных Фарадея в 60-е годы 19-го века Максвелл создал единуютеорию электромагнитного поля.
Было установлено, чтоэлектромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света.Оказалось, что свет – это электромагнитные волны определенной длины. Герцэкспериментально обнаружил электромагнитные волны. Представление о том, чтосвет является электромагнитной волной, получило всеобщее признание. Такимобразом, было открыто поле.
В конце 19-го векаутвердилось понятие поля как особого вида материи, свойства которого невозможнообъяснить механистическими закономерностями. Материя существует в 2-ух видах — вещества и поля, вместе с тем, у них выделялись существенные различныесвойства:
1. способраспространения: вещество дискретно (прерывно), поле – непрерывно.
2. вещество обладаетмассой покоя, а поле — нет.
3. вещество можетдвигаться с разной скоростью, на всегда на много порядков меньше скоростисвета. Поле распространяется с постоянной скоростью приближенно равной скоростисвета (300 000 км/с)
4. вещество малопроницаемо, поле проницаемо.
Итак, в классическойфизике вещество и поле рассматриваются отдельными друг от друга как 2качественно своеобразных вида материи. Однако, с развитием физикипротивопоставление вещества и поля в классической физике сменилось пониманиемих взаимосвязей и взаимодействия между ними в современной физике.
Тема 4. МИКРОМИР:КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ (квантовая физика)
1. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯКОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ МИКРОМИРА
Понятие и принципыклассической физики оказались неприемлемыми и к исследованию физических свойствмельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами (электроны, протоны,нейтроны и др.). Они образуют невидимый для нас микромир, поэтому свойства видимогонами микромира не похожи на свойства объектов макромира. Это привело к созданиюновой науки – квантовой механики, изучающей законы движения и взаимодействияобъектов микромира.
Оказалось, что намикроуровне одни и те же объекты обнаруживают как корпускулярные, так иволновые свойства (Макс Планк 1900 год – год рождения квантовой механики). МаксПланк изучал процесс излучения абсолютно черного тела, он пришел к выводу, чтоизлучение энергии происходит не непрерывно – отдельными дискретными порциями — квантами.
Позднее эта гипотеза былаобоснована Эйнштейном, который создал квантовую теорию света. В 1905 году онприменил квантовые представления при объяснении фотоэффекта (нобелевскаяпремия), понял, что свет имеет прерывистую структуру. Он назвал его фотоном.
Это означало признаниекорпускулярных свойств света.
Возникала парадоксальнаяситуация: в одних опытах (фотоэффект) свет обнаруживал корпускулярные свойства,в других (дифракция, интерференция) – волновые свойства. Это означало, что светимеет сложную природу, обладая одновременно корпускулярными и волновымисвойствами – корпускулярно-волновой дуализм (двойная природа света).
Дэвисон и Джермерэкспериментально доказали, что частицы также обладают корпускулярно-волновуютеорию.
В 1924 году французскийфизик Луи де Бройль выдвинул идею об универсальности корпускулярно-волновогодуализма, предположив, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицыматерии наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.
В 1927 году эту гипотезуэкспериментально подтвердили Дэвисон и Джермер. После этого признаниекорпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.
Итак, всем микрообъектамприсущи и корпускулярные и волновые свойства. Для них существует потенциальнаявозможность проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны,либо в виде частицы. На основе этих представлений в 1927 году физик Борсформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые икорпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимодополняютдруг друга. Поэтому полную информацию о свойствах микрообъекта можно получитьтолько при учете и корпускулярной и волновой картин, они взаимно дополняют другдруга.
В 1927 году Гейзенбергвыдвинул принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременноточно определить координаты, т.е. местоположение и ее импульс.
В классической физикепредлагается, что всякая частица, движущаяся по определенной траектории,поэтому в любой момент времени можно точно фиксировать ее координаты и импульс,микрочастицы же из-за наличия у них волновых свойств, не движутся по определеннойтраектории, поэтому если мы получим точное значение одной величины, то другаяостается полностью неопределенной и наоборот. Таким образом, для микрочастиц несуществует состояния, при котором ее координаты и импульс имели бы одновременноточное значение. С точки зрения квантовой механики предсказание поведениямикрообъектов имеет вероятностный характер. Законы квантовой физики –статистические, законы классической физики – динамики.
2. АТОМИСТИЧЕСКАЯКОНЦЕПЦИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ
Атомистическаягипотеза строения материи выдвинута в античности Демокритом. В 18 веке доказана реальностьсуществования атомов. Но вопрос о внутреннем строении атомов не возникал, т.к.они считались неделимыми.
Исследования строенияатома началось с открытия в 1790 году Томпсоном электрона. Он предложил первуюмодель атома, согласно которой электроны плавают внутри положительно заряженнойсферы. Но эта модель существовала недолго. В 1711 году Резерфорд обнаружил, чтов атомах существуют ядра, и создал планетарную модель атома: в центре атомаположительно заряженное ядро, вокруг него по разным орбитам вращаютсяэлектроны, как планеты вокруг Солнца. Но эта модель столкнулась с 2-мяосновными трудностями. Из этого следовало, что движущийся с ускорением электрондолжен изучать электромагнитные волны и впоследствии этого упасть на ядро,разрушив атом. Однако опыт показывает, что атомы – это устойчивые образования,из этого следует, что испускаемый атомами свет должен иметь непрерывный спектр,тогда как они линейчатые.
В 1917 году Нильс Борпредложил качественно новую квантовую модель атома.
Бор взял за основупланетарную резерфорда, он дополнил ее 2-мя постулатами, совершеннонесовместимыми с классической физикой:
1. В атоме существуют несколькостационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию(устойчивость атомов объяснил этот постулат)
2. При переходе атома от однойстационарной орбиты на другую он испускает или поглощает квант энергии(непрерывность, линейчатость спектра атомов).
Модель Бора точноописывала атом водорода, но испытывала трудности при объяснениимногоэлектронных атомов. Теория Бора была важна в квантовой механике, но онаобладала внутренними противоречиями:
В ней используются законыклассической физики, но одновременно вводятся квантовые постулаты, современнаятеория атома основана на квантовой механике, согласно которой не существуетвполне определенных круговых орбит, как в теории Бора. В силу волновой природыэлектрон «размазан» в пространстве. Мы не можем предсказать траекторию, покоторой будет двигаться электрон, а можем лишь вычислить вероятностьобнаружения электрона в разных точках. Подобная ситуация отличалась отклассической физики.
3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕЧАСТИЦЫ
Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина)– это первичные неделимые частицы, из которых по предположению состоит всяматерия.
В современной науке этоттермин означает частицы, входящие в состав атома.
В конце 19-го начале20-го веков были открыты составные элементы атомов: электрон, протон, нейтрон.
Далее в результатеисследований космических лучей были обнаружены десятки новых элементарныхчастиц. Сегодня известно около 400 тыс. элементарных частиц. Большинство из нихимеют античастицы (отличаются знаком заряда) и некоторыми другими свойствами.
При столкновении частицыи античастицы происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) с появлением другихчастиц.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
1. Наличие у них массы покоя. Всоответствии с их массой частицы подразделяются на лептоны (легкиечастицы), барионы (тяжелые частицы) и мезоны (средние частицы).
Имеются частицы, которыене имеют массы покоя, например, фотон.
2. Заряд характеризует связь сэлектрическим полем. Частицы могут иметь положительный, отрицательный и нулевойзаряд.
3. Время жизни (стабильные: электрон,протон, фотон, нитрино). Все остальные нестабильны, врем жизни от 10‾10с до 10‾20 с.
4. Спин – собственный момент количествадвижения частицы, который может иметь целые и полуцелые значения.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ:
Элементарные частицыучаствуют во всех видах известных взаимодействий.
1. Сильное (самое сильное из всех).Обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Действует на оченьмаленьких расстояниях. Радиус действия ограничен размером ядра.
2. Электромагнитное. Присуще толькоэлементарным частицам, поэтому в зависимости от знака заряда может проявляться какпритяжение, так и отталкивание. Приблизительно в 100 раз слабее сильного, норадиус действия практически неограничен. Благодаря нему возникают атомы,молекулы и микроскопические тела. Оно обусловливает также физические ихимические свойства вещества.
3. Слабое (слабее электромагнитного, носильнее гравитационного). Обладает очень малым радиусом действия, поэтому еговлияние распространяется на субатомные частицы. Оно ответственно за распады частиц.
4. Гравитационное – универсальное, присущеевсем материальным объектам. Является самым слабым взаимодействием. Поэтому егороль в микромире ничтожна. В космических масштабах ему принадлежит определеннаяроль. Радиус действия бесконечен.
Главная проблемасовременной физики – объединение всех физических взаимодействий, поиск единойтеории поля.
В 70-е годы 20 векаВайнберг и Салаам (нобелевская премия) сумели объединить электромагнитное ислабое взаимодействие, создав теорию электрослабых взаимодействий.
Сегодня разрабатываетсятеория модели для универсального объединения 3 взаимодействий (сильное, слабое,электромагнитное) – так называемое Великое объединение.
Физики допускают, чтоможет быть создана единая теория всех 4 фундаментальных взаимодействий наоснове одного фундаментального взаимодействия – суперсилы.
5. КЛАССИФИКАЦИЯЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
В зависимости от участияв тех или иных видах взаимодействия все элементарные частицы разбиваются на 2больших класса: адроны и лептоны, а также в особый класс выделяются частицы –переносчики взаимодействий.
Адроны – частицы, которые участвуют в сильномвзаимодействии наряду с электромагнитным и слабым: барионы (протон, нейтрон и др.),мезоны (резонанс).
Лептоны – не участвуют в сильномвзаимодействии: электрон, мюон, таумптон, и соответствующие нитрино.
3-й класс – переносчикивзаимодействия.
Переносчикомэлектромагнитного взаимодействия являются фотоны, сильного взаимодействия –глюоны, слабого взаимодействия – промежуточные базоны, предполагают, что переносчикомгравитационного взаимодействия являются гравитоны.
Итак, строительныйматериал вещества составляют: адроны и лептоны.
Лептоны – истинно элементарные, т.к. они необнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют поддающихся определениюразмеров.
Адроны – более сложные частицы. В 1964 году2 ученых – Гелман и Цвейг – создали кварковую модель адронов, согласно которойадроны построены из более фундаментальных частиц – кварков. Они имеют дробныйзаряд и полуцелый спин.
В настоящее времяизвестно 6 типов («ароматов») кварков; дополнительно кварк каждого «аромата»разлагается по «цвету»: красный, желтый, синий.
Итак, атом состоит изэлектронов (лептоны) и ядра. С точки зрения кварковой модели ядро атома – этоуже не просто набор протонов и нейтронов, а совокупность соответствующего числакварков, связанных между собой, таким образом, истинно элементарными являютсялептоны и кварки, хотя гарантии, что они являются последними неделимыми – наукане дает. Поэтому термин «элементарный» имеет относительное значение. Онвыражает лишь границы проникновения современной науки в структуру материи, нововсе не то, что соответствующие частицы являются простейшими ибесструктурными.
6. МЕГАМИР
С точки зрениясовременной науки, мегамир – взаимодействующая и развивающаяся системавсех небесных тел.
Понятие «Вселенная»означает весь существующий материальный мир. Часть Вселенной доступная наданном уровне познания называется Метагалактикой или «нашей Вселенной»
Строение, происхождение,эволюцию Вселенной изучает космология.
Выводы космологии опроисхождении эволюции и будущем Вселенной как целого называетсякосмологическими моделями.
7. СОВРЕМЕННЫЕКОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ
Классическая космологияисходила из утверждений абсолютности и бесконечности пространства и времени, атакже неизменности и вечности Вселенной.
Вопрос об эволюцииВселенной в целом не ставился – теория стационарного состояния Вселенной.
В 19 веке классическиекосмологические представления столкнулись с 2-мя парадоксами, связанными спостулатом о бесконечности Вселенной.
1. Гравитационныйпарадокс. Если Вселенная бесконечна, то и силы тяготения между телами должныбыть бесконечны, что должно привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бысуществовать вечно
2. Фотометрическийпарадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечноечисло небесных тел, а значит, светимость неба тоже должна быть бесконечной,однако этого не происходит.
Эти парадоксы – следствиянеправомерного распространения законов классической физики на всю Вселенную,поэтому требовалось не уточнение классической физики, а создание новой теориитяготения. Ей стала общая теория относительности Эйнштейна, которая положена воснову современной (релятивистской) космологии, которая пришла на сменуклассической.
Первую космологическуюмодель, основанную на новой (релятивистской) теории тяготения в 1619 годупредложил сам Эйнштейн – релятивистская стационарная теория. Он отказался отпостулатов классической космологии об абсолютности и бесконечности пространстваи времени, но сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной вовремени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по его мнению,зависят от распределения гравитационных масс. Вселенная безгранична, но конечнав замкнутом пространстве. Время существования Вселенной – бесконечно, т.е. неимеет ни начала, ни конца.
Первым от постулата остационарности Вселенной отказался А. Фридман.
В 1922 году, решаяуравнения общей теории относительности, он получил неожиданный результат:Вселенная не стационарна и обладает переменным во времени радиусом кривизныпространства. Он предположил, что мировое пространство аналогично поверхностисферы, радиус которой растет со временем. Вселенная должна эволюционировать,т.е. непрерывно изменятся со временем. Расстояния между галактиками не могутоставаться постоянными. Вследствие наличия силы тяготения они должны либоудаляться, либо сближаться.
Вывод Фридмана означал,что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Вывод Фридмана остационарности Вселенной получил подтверждение. В 1925 году американскийастроном Хаббл при исследовании спектров далеких галактик обнаружил, что чембольше расстояние до галактики, тем больше величина красного смещения, следовательно,скорости отдаления галактики от нас.
Итак, галактикиразбегаются во все стороны от нас, причем скорость разбегания прямопропорциональна расстоянию, но это на значит, что мы находимся в центреВселенной. Таким образом, Хаббл своими наблюдениями далеких галактик доказал,что Вселенная расширяется, и в космологии утвердилась модель расширяющейсяВселенной. Расширение Вселенной началось с ее возникновения.
8. ПРОБЛЕМЫПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
В 1927 году бельгийскийученый Джордж Леметр предположил возникновение и расширение Вселенной из сверхплотногосостояния, представив этот процесс в виде Большого взрыва, а предположение, чтопервоначальное вещество было сверхплотным и очень горячим, высказал впервыеГ.А. Гамов. Согласно представлениям современной космологии Вселенная возникла15-20 млрд. лет назад, когда все вещество находилось в состоянии сингулярности(точечности) и сверхплотном состоянии. От первоначального сингулярногосостояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. По мерерасширения происходило понижение температуры и плотности вещества.
9. ЭТАПЫЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
1. Адронная эра с момента 10‾‾10при температуре = 1015 по Кельвину вещество Вселенной состояло изчастиц и античастиц, которые, объединяясь в группы, образуют адроны (протоны,нейтроны и др.) на 1 млн. античастиц приходится 1,1 млн. частиц.
Главное событие –аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов инейтронов, которые послужили материалом, из которого построена вся Вселенная.Продолжительность этой эры – 0,0001 с.
2. Начало синтеза элементовприблизительно через 100 с после начала расширения Вселенной. При температуре 1млрд. градусов начался ядерный синтез с образованием ядер водорода и гелия.
3. Через 300 тысяч лет после Большоговзрыва при температуре 4000 градусов по Кельвину – этап рекомбинации ядер иэлектронов с образованием атомов водорода и гелия. Продолжался 700 тыс. лет. Впроцессе дальнейшего расширения понижалась температура вещества, и излучения врезультате излучения отделилось от вещества – Вселенная стала прозрачной.
4. Через 1 млн. лет наступила звезднаяэра – процесс образования протозвезд и протогалактик, из которых постепенно формировалисьзвезды, галактики и т.д.
Эту модель называютстандартная или горячая Вселенная. Она объясняет происхождение многих свойствВселенной. Но причины Большого взрыва и расширения в ней лишь постулируется(объяснения не дано).
В конце 20 века быласоздано гипотеза инфляционной («раздувающейся») Вселенной, которая. Не отменяя основныхпостулатов, отвечает на ряд вопросов, которые до недавнего времени считались недополненными.В ней описывалась эволюция вселенной на самых ранних стадиях, ее развитиеначалось с момента 10‾43 до 10‾35 с, когдаона находилась в состоянии ложного вакуума. В основе этой гипотезы представленияо существовании силы космических отталкиваний невероятной величины, котораясмогла разорвать некоторые материи Вселенной и вызвать ее расширение. ПричемВселенная «раздувалась» со скоростью значительно превосходящей скорость света.Такое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве,а это и есть Большой взрыв.
Считается, что этотпериод «инфляции» предшествовал Большому взрыву.
10. БУДУЩЕЕВСЕЛЕННОЙ
Современная космология неможет ответить на вопрос будет ли расширение продолжаться или сменится сжатием.Для этого нужно знать величину средней плотности вещества во Вселенной и егоотношение с критической плотностью. Если средняя плотность вещества меньшекритической, то расширение будет продолжаться неограниченно. Если плотность большекритической, то расширение Вселенной в отдаленном будущем сменится сжатием.
Согласно современнымданным критическая плотность оценивается в 10‾26кг/м (в кубе),а значение средней плотности вещества во Вселенной составляет 3*10‾27кг/м (в кубе). Следовательно, Вселенная будет расширяться, но современноесостояние наблюдений не дает возможность точного определения средней плотностивещества во Вселенной, т.к. неясна скрытая масса вещества, в состав котороймогли бы входить нитрино, черные дыры, несветящиеся звезды и другие типыкосмических объектов, тогда средняя плотность вещества может оказаться вышекритической величины и в отдаленном будущем расширение Вселенной сменится еесжатием.
11. СТРУКТУРАВСЕЛЕННОЙ
Систем самого высокогопорядка – Метагалактика – это доступное наблюдение части Вселенной, онапредставляет собой систему взаимодействия скоплений галактик, она имеетсетчатую («ячеистую») структуру, т.е. галактики расположены неравномерно, аименно, они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеекрасположены галактики, а внутри – пустота.
Больше всего галактиксосредоточено в узлах (местах пересечения стенок) – насчитываются до 10-ковтысяч отдельных галактик. Но в очень больших масштабах (скопления исверхскопления галактик) распределение вещества оказывается равномерным, значитесли обозревать Вселенную с любой из галактик, то она всюду будет выглядеть практическиодинаково.
Скопление галактик –группы галактик, связанных в одну систему, благодаря взаимному гравитационномупритяжению, облака скоплений галактик образуют сверхскопления галактик.
Галактики – этогигантские звездные системы, содержащие от нескольких миллионов до многих сотенмиллионов звезд, газа, пыли. Они содержат различного рода поля и космическиелучи.
По форме различают:
1. эллиптические. Имеют форму кругов илиэллипсов с разной степенью сжатия. Количество звезд убывает равномерно отцентра.
2. спирали: туманность Андромеды,Млечный путь (наша галактика).
3. неправильные галактики не имеютопределенной формы, центральных ядер (Магеллановы облака).
В центрах многих галактикимеется яркое плотное ядро, состоящее в основном из звезд, но в некоторых ядрахнаблюдаются активные процессы, связанные с колоссальным выделением энергии.Такие ядра называют радиогалактиками.
В 1963 году обнаруженыгалактики – источники радиоизлучения, которые назвали квазары, при сравнительнонебольших размерах они выделяют колоссальное количество энергии. Это самыеудаленные объекты наблюдения во Вселенной. Предполагают, что квазары являются ядрамидалеких галактик, находящихся в стадии чрезвычайно сильной активности.
Скопления звезд – этогруппы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единоецелое.
Бывают 2-ух типов:
Шаровые – это массивныеобъекты правильной сферической формы, содержат десятки, сотни тысяч, и иногда,и миллионы звезд. Это самые старые звезды в галактике – 12-14 млн. лет.
Рассеянные – не имеютправильной формы. Содержат десятки, сотни наиболее крупных тысяч звезд.
Звезды – это громадныераскаленные светящиеся газовые шары – водородно-гелиевые.
В них протекают ядерныереакции и за счет этого звезды постоянно излучают энергию, звезды имеют разнуювеличину – гиганты и сверхгиганты, звезды-карлики. Звезды обладают различнымитемпературами. Соответственно различен цвет звезд. Сравнительно «холодные»звезды – красноватые, а самые горячие – голубоватые, белые.
Большинство звезд вгалактике расположены подобно нашей солнечной системе. Звезды возникли изгазово-пылевых облаков. Они проходят различные эволюционные циклы жизни и вконечные стадии своей эволюции превращаются в белые, затем в черные карлики,затем в черные дыры и т.д.
12. ПРОСТРАНСТВОИ ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА
В истории наукисуществовали различные концепции пространства и времени. Их можно разделить на2:
1. Субстанциональные (Демокрит,Ньютон). Пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельныесущности, независящие друг от друга и от характера протекающих в нихматериальных процессов. Ньютон вводит понятие «абсолютное пространство» и«абсолютное время».
2. Реляционная.Отрицала существование пространства и времени, как абсолютных сущностей.Пространство и время — это особые отношения между объектами и отдельно от нихне существуют. Лейбниц считал, что время – это порядокпоследовательности событий, а пространство – порядок сосуществования тел.Реляционная концепция сложилась после создания теории относительности инеевклидовой геометрии.
Тема 5. СПЕЦИАЛЬНАЯТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1. ПРОСТРАНСТВОИ ВРЕМЯ В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Релятивистская теориясоздана в 1905 году. В основу этой теории Эйнштейн положил 2 постулата:
1. Принцип относительности (сначалаГалилей относительно к механическим процессам). Согласно принципуотносительности Галилея все инерциальные системы (движущиеся прямолинейно иравномерно друг относительно друга) равноправны между собой в отношенииописания взаимодействий.
Эйнштейн сформулировалобобщенный принцип относительности: в отношении электромагнитных явлений всеинерциальные системы координат совершенно равноправны.
2. Принцип постоянства скорости света ввакууме: скорость света в вакууме не зависит от источника движения света илинаблюдателя, одинаково во всех системах отсчета и является предельной скоростьюраспространения.
Постулаты специальнойтеории относительности находятся в очевидном противоречии с темипредставлениями о пространстве и времени, которые сложились в механике Ньютона.В классической механике считалась очевидной абсолютность одновременных событий,происходящих и в одной и в разных точках пространства.
В специальной теорииотносительности одновременность 2-ух событий, происходящих в разных точкахпространства относительна: события одновременные в одной инерциальной системеотсчета не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.
Следствием этого выводастало признание относительности измерения размеров тел: длина тела, измереннаяразными наблюдателями или с разными скоростями должна быть различна, то жесамое относится и ко времени, а именно время протекания процесса будетразличным, если измерять его с разными скоростями. При приближении к скоростисвета все процессы в системе замедляются, размеры тел сокращаются.
Вывод:Таким образом, специальная теория относительностиустановила неразрывную связь между пространством и временем – то есть изменениевременных свойств и процессов всегда связано с изменением их пространственныхсвойств.
Подчеркивая эту связь,немецкий ученый Минковский ввел понятие «пространственно-временного континуума»или «четырехмерного пространства», в котором 3 измерения характеризуютположение, занимаемое предметом в пространстве. 4-ое пространство – это время,когда событие совершается.
2. ПРОСТРАНСТВОИ ВРЕМЯ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
В общей теорииотносительности было установлено, что метрические свойства зависят от силыгравитационного поля.
Массы вещества создаютособое поле тяготения на свойства пространства и времени. Например, былоустановлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле из-за болеевысокого гравитационного потенциала на его поверхности.
Вывод: В зависимости от гравитационных масс времязамедляется или ускоряется, а пространство искривляется.
Неевклидова геометрия –геометрия искривленного пространства, например, в геометрии Евклида (на плоскости)предполагается, что сумма углов треугольника составляет 1800,поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностьюположительной кривизны, а поверхности седла – отрицательной кривизны.
4-хмерное пространствоРимана оказалось адекватным явлению гравитации.
С точки зрения общейтеории относительности величина поля тяготения в каждой точке пространствазависит от его кривизны, таким образом, движение материальной точки в полетяготения осуществляется непрямолинейно и равномерно, а по геодезической линииискривленного пространства.
Вывод общей теорииотносительности: общая теорияотносительности доказала связь пространства и времени с движущейся материей.
3. ФИЛОСОФСКОЕЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1. Исключила из науки понятия абсолютногопространства и времени, как самостоятельных независимых от материи формсуществования.
2. Показала зависимостьпространственно-временных форм от характера движения и взаимодействияматериальных систем, доказав тем самым, что пространство и время – основныеформы существования материи.
Сам Эйнштейн, отвечая навопрос о сути теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, чтоесли каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространствои время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезлии пространство, и время».
4. СВОЙСТВАПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Пространство – форма существования материи,характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование ивзаимодействие элементов во всех материальных системах.
Время – форма существования материи, характеризующаядлительность существования всех объектов и последовательность смены состоянийвсех материальных систем.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА:
1. Объективность пространства и временизаключается в том, что они существуют независимо от сознания.
2. Всеобщность характеризуется тем, чтонет и не может быть ни одного события, явления, которые существовали внепространства и времени.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВАПРОСТРАНСТВА:
1. трехмерность;
2. однородность заключается вравноправии всех точек пространства, отсутствия в нем каких-либо выделенныхточек.
3. Изотропность – равноправие всехвозможных направлений.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАВРЕМЕНИ:
1. Одномерность. Положение объекта вовремени описывается одной величиной.
2. Необратимость, т.е.однонаправленность. Время течет из прошлого, через настоящее, в будущее.
3. Однородность заключается вравноправии его моментов. Не существует преимущественной точки отсчета любуюможно принимать за начальную.
5. СОВРЕМЕННЫЕКОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИКИ
1. Предмет, структура и этапы развитиябиологии как науки.
Биология – наука о живом,строении и функционировании живых существ и их сообществ, распространении,происхождении и развитии живых организмов, связи их друг с другом и с неживойприродой.
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ:
Первые систематическиепопытки описания животных и растений, сведения об анатомии, физиологии человекаи животных сделали мыслители античности (Гиппократ, Аристотель, Голен и др.),но самостоятельной наукой биология стала в 18-19 веках.
1. традиционная – зачатки классификациирастительного и животного мира (Бюффон, Линней и др.).
2. эволюционная – утверждение развития.
3. молекулярно-генетическая биология (Мендель).
Биология представляет собойкомплекс наук о живой природе. В зависимости от предмета изучения в биологиивыделяются микробиология, ботаника, зоология и т.д.
По уровню организацииживых объектов выделяют 3 уровня:
1. уровень биологических организмов(морфология, физиология, эмбриология)
2. суборганизменный уровень –исследования организмов на молекулярном уровне: генетика (о наследственности),цитология (строение живых клеток), молекулярная биология изучает микроструктуруживых тканей.
3. уровень надорганизменных образований.Сложно взаимодействующие между собой и окружающей средой (экология – связьживого с окружающей средой, биография, биоценология, др.)
Итак, объектом изучения вбиологии является живое.
СВОЙСТВА ЖИВОГО:
1. живые организмы имеют сложную упорядоченнуюструктуру. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.
2. раздражимость – способность живых организмовцелесообразно отвечать на воздействия среды.
3. обмен с окружающей средой энергией и веществом,в результате чего поддерживается уровень упорядоченности организма и егочастей, т.е. это открытые системы (см. синергетику).
4. способность к росту, развитию иусложнению, причемразвитие живого представлено как индивидуальным развитием (онтогенез), так иисторическим, сопровождающимся образованием новых видов и прогрессивнымусложнением жизни (филогенез).
5. способность к самовоспроизведению,размножению,основано на способности молекул ДНК передавать потомкам наследственнуюинформацию о признаках, свойствах и функциях организма.
6. способность к саморегуляции. Живые организмы способныприспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям среды и интенсивноститечения физиологических процессов.
7. все живые организмы устроены из биополимеров– высокомолекулярных природных соединений (белков, нуклеиновых кислот идр.), участвующих во всех процессах жизнедеятельности организма.
Из совокупности этихпризнаков можно дать следующее определение жизни:
Жизнь – есть форма существования сложныхоткрытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению, построенныхиз биополимеров (белков, нуклеиновых кислот).
6. СТРУКТУРНЫЕУРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
Мир живого естьсовокупность живых систем различной степени сложности и организации. По этому критерию выделяют следующиеуровни организации живых систем:
1. молекулярный. Представлен белками и нуклеиновымикислотами, которые лишь в своей совокупности несут отдельные признаки жизни.Таким образом, живой является не отдельная молекула ДНК, РНК или белка, а ихсистема в целом.
2. клеточный уровень. Представляет собой сложнуюцелостную систему, компонентом которой являются молекулярные образования.
3. органно-ткакневый. Ткань – совокупность сходных построению клеток, выполняющих общие функции. Совместно функционирующие клетки,относящиеся к разным тканям, составляют органы.
4. организменный. Представлен организмом как целостнойсистемой взаимодействия его компонентов, выполняющих специфические функции.
5. популяционно-видовой – сообщество особей одного вида,которое связаны между собой общим местом обитания и генофондом, скрещиваются ивоспроизводят себя в потомстве.
6. биоценозы – комплекс живых и неживыхкомпонентов, занимающих определенную территорию – экосистема.
7. биосфера – совокупность всех живых организмовпланеты вместе с окружающей средой.
7. КОНЦЕПЦИИПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ
1. Долгое время существовалопредставление о возможности зарождения живого из неживого: креационизм(божественное происхождение жизни, в результате акта божественного творения).
2. Концепция многократногосамопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Но в 60-е годы 19-говека Луи Пастор своими опытами доказал невозможность спонтанного самозарожденияпростейших организмов. После этого появляются теории вечности жизни: вчастности, концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизньсуществовала всегда.
3. Концепция панспермии – внеземноепроисхождение жизни – зародыши живых организмов занесены на Землю из космосаметеоритами и космической пылью – Рихтер. В 20 веке идею космическогопроисхождения живого на Земле и вечности существования жизни в космосе развивалВернадский.
4. Биохимические концепции происхожденияживого. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического)происхождения жизни под действием естественных причин. В результате длительнойэволюции – химической, а затем биохимической, зародилось живое. В основе этойконцепции гипотеза Опарина
Возраст Земли – 5-6 млрд.лет. Жизнь существует на Земле 3,5 млрд. лет.
8. ОСНОВНЫЕЭТАПЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
1. Образование простых органическихсоединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собойраскаленную планету (4 000 – 8 000 градусов). Но по мере ее остываниятяжелые химические элементы перемещались к центру, и впоследствии образовализемную кору, а легкие элементы (кислород, водород, углерод, азот) скапливалисьна поверхности и стали взаимодействовать друг с другом. Когда температураповерхности Земли приблизилась к 1000С, произошло сгущение водяныхпаров и образование больших водоемов. В результате активной вулканическойдеятельности и из внутренних слоев Земли на поверхность выносились различныекарбиды (металл + углерод). Они смывались в первичный бульон, где вступали вовзаимодействие с водой. В результате образовались различные углеводородныесоединения.
2. Возникновение сложных органическихсоединений. На этом этапе, благодаря высокой температуре, грозовым разрядам,ультрафиолетовому излучению простые молекулы органических соединений привзаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались белки,нуклеиновые кислоты, жиры, аминокислоты, углеводы. Одним из условий для синтезабиополимеров было отсутствие в первичной атмосфере кислорода, так какорганические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем ватмосфере, богатой кислородом. Согласно гипотезе Опарина разрозненныесоединения смешивались с образованием коацевратных капель, по мнению Опарина коацерватыявляются предшественниками клеток. Коацерваты обладают рядом свойств, которыесближают их с простейшими живыми системами (первоначальный обмен веществ,увеличение в размере и др.).
3. Возникновение простейших форм живого.Завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойкихкоацерватов способности к самовоспроизведению со стороны частей, переходом кматричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходепредбиологического отбора выживали те коацерваты, у которых способность кобмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. На этом этапезавершился процесс добиологической эволюции и начался период биологическойэволюции.
Эта концепцияпроисхождения жизни не является единственно возможной и нуждается вэкспериментальном подтверждении.
Слабость гипотезы состоитв нерешенности главного вопроса всей проблемы – о движущих силах саморазвитияхимических систем и перехода от химической эволюции к биологической. Каковапричина того таинственного толчка от неживой к живой природе? Ни одна изсуществующих гипотез не может объяснить возникновения механизманаследственности. Сегодня для объяснения перехода от предбиологической эволюциик биологической используется теория самоорганизации (синергетика), законыкоторой позволяют объяснить спонтанное возникновение новых структур в ходевзаимодействия открытой системы с окружающей средой.
9. ПРОБЛЕМЫГЕНЕТИКИ
Генетика – наука о наследственности иизменчивости организмов и способы управления ими.
1900 год – переоткрытиезаконов Менделя. Возникновение генетики связано с открытием в 1865 году законовнаследственности Менделем. Но работы Менделя были незамечены. В 1900 годузаконы Менделя были открыты независимо 3-мя учеными (Де Фриз, Чермак, Корренс).
В 20 веке последовалцелый ряд открытий, а именно, в 1912 году Морган разработал хромосомную теориюнаследственности, в 1944 году американские биохимики Эвери и компанияустановили, что носителем наследственной информации является ДНК, в 1953 годурасшифровано строение ДНК, которая показала, что молекула состоит из 2-ухполинуклеидных цепей, каждая из которой выступает в качестве матрицы длясинтеза новых цепей. В последние десятилетия учеными была установленазависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен синтез гена,расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т.д.
В конце 2000 годарасшифрован геном человека. Геном – совокупность генов, сосредоточенных вединичном наборе хромосом данного организма. Геном человека содержит около 100тыс. генов, содержащих около 3 млрд. единиц информации.
Это дало понимание причини механизмов болезней и позволит выработать эффективные методы их лечения.
Но для того, чтобыустановить функции всех генов нужно много времени.
Крупнейшее открытиесовременной генетики связано с установлением способностей генов.
Мутации – скачкообразныеи устойчивые изменения генетического материала, передающегося по наследству.
По изменениюгенетического материала мутации подразделяются на:
1. Геномные – изменение числа хромосом.Потеря любой из 46 хромосом или добавление лишней ведет к тяжелым расстройствамразвития. Например, лишняя хромосома в 21 паре приводит к болезни Дауна.
2. Хромосомные. Связаны с изменениемструктуры в зародышевых клетках ребенка.
3. Генные мутации связаны с изменениеммолекулярной структуры ДНК.
Мутации могут бытьвредными, нейтральными и гораздо реже – полезными (повышение приспособляемостик жизни).
Факторы, вызывающиемутации называются мутагенными: радиация, химические изменения, изменениетемператур, вирусы, бактерии.
10. ГЕННАЯИНЖЕНЕРИЯ
Возникла в 70-80 годы 20века. Генная инженерия – раздел молекулярной генетики, связанный сцеленаправленным конструированием новых несуществующих в природе сочетанийгенов.
ЗАДАЧИ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ:расшифровка структуры генов, синтез генов биохимическим путем, клонированиегенов, перенос выделенных или вновь синтезированных генов из одной клетки илиорганизма в другую с целью направленного изменения их наследственных свойств,т.е. управление наследственностью. Путем вмешательства человека в конструкциюДНК были улучшены или изменены свойства десятков животных и растений с цельюповышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения пород скота.
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕННОЙИНЖЕНЕРИИ: в медицине1. связано с диагностикой заболеваний – разработаныдиагностические препараты, позволяющие обнаружить генетические аномалии впериод беременности. 2. лечение заболеваний. Разрабатываются методы лечениянаследственных болезней путем введения генов с правильной информацией в клетки,содержащие дефектные гены или добавлением новых генов, в которых имеютсявещества для борьбы с болезнью (генотерапия).
3.Профилактика. Одним изперспективных направлений генной инженерии является культивирование геновбольных и здоровых людей в клетках других живых организмов с целью изучениямолекулярных основ наследственных заболеваний человека.
Клонирование – процесс, входе которого живое существо производится от единственной клетки, взятой отдругого живого существа.
Генная инженерия лежит воснове современной биотехнологии.
ПРИМЕНЕНИЕ: в медицине ифармацевтике (гормон роста, интерферон, клонирован ген инсулина, нейропиптиды –белки головного мозга, регулирующие такие биологические процессы как сон,память, боль ит.д.), получение пищевых продуктов из трансгенных растений(генетически измененные с заданными параметрами).
С 1996 года выращиваюттрансгенную картошку, кукурузу, сою, однако, далеко не все ученые уверены в ихбезопасности.