Реферат: Концепция современного естествознания
Контрольная работа по концепции современного естествознания
Вариант №10
Содержание
1. Чем отличается живая система от неживой? Как развивалась биология? Вчем суть и значение дарвиновской теории в развитии биологии? Каковы структурныеуровни познания живой материи?.. 4
2. В чем суть концепции атомизма? Какие структуры материи Вам известны?С какими учеными связана данная концепция? Как развивалась концепция атомизма икак она связана с современными проблемами построения единой физической теории?Каковы особенности использования этой модели для описания вещества как системычастиц? 6
3. Как происходит процесс теплопередачи? Характеризуйтетеплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры… 12
4. Определите понятия теплоты и температуры. Как связаны эти величины,в каких единицах измеряются? Сколько времени нужно выполнять физическиеупражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на 450 г (на расщепление1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов —
20 кДж)?.. 14
5. Поясните понятия энтропии и термодинамической вероятности. В чемсостоит принцип Больцмана? Что общего между понятиями «энтропия» и«информация»? поясните понятие информация, укажите на ее связь сзаконом необходимого разнообразия кибернетики… 16
6. Что такое — фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишитефизическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнегодавления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации?Приведите примеры. 18
7. Поясните смысл понятия «фотон». Какие явления, и какимобразом были объяснены с помощью квантовой теории света?.. 20
8. Сопоставьте понятия «популяция» и «вид».Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почему разные популяцииодного вида отличаются по частоте генов? 23
9. Как происходит деление клеток, ядра и ДНК? Как реализуется системавоспроизводства на молекулярном уровне? В чем особенности биотехнологий: геннойи клеточной инженерии, каковы их возможности и перспективы?.. 24
10. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картинымира? Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем? Каковосоотношение случайного и закономерного в концепции развития? Поясните понятия«хаоса», «бифуркации», «катастрофы». Опишитепроцессы самоорганизации материи в процессе эволюции
галактик и звезд… 26
Список литературы… 30
1. Чем отличается живая система от неживой?Как развивалась биология? В чем суть и значение дарвиновской теории в развитиибиологии? Каковы структурные уровни познания живой материи?
Живые системы отличает от неживых (косных, по выражению В.И.Вернадского) множество признаков, которые перечисляются в любом учебникешкольной биологии. Но по отдельности каждый из этих признаков может бытьобнаружен и в системах, которые живыми назвать никак нельзя. Но есть такиепризнаки, которые, особенно характерны для живых систем и тем не менее нечастофигурируют в их самых общих описаниях.
Живые организмы являются открытыми системами, потребляющимиэнергию внешней среды. Все живые организмы содержат четыре главных классаорганических соединений: углеводы, лепиды, белки и нуклеиновые кислоты
Развитие, спонтанное повышение степени гетерогенности(разнообразия частей) при укреплении взаимосвязей между ними — один из наиболеехарактерных признаков живого, будь то индивидуальный организм, популяция илибиосфера. Теория биологического поля Гурвича позволяет найти подход к решениюпринципиальных вопроса о том, как можно объяснить это явление исходя из единогопринципа (постулата о существовании такого поля). Но любой процесс, а всежизненные проявления — или, говоря словами Гурвича, Структурированные Процессыневозможно рассматривать без привлечения понятия энергии. Структурно — энергетическая специфичность жизни и ее отличие в этом отношении от процессов,протекающих в неживых объектах, отражена в принципах теоретической биологии,сформулированных Э. Бауэром.
Первый его принцип (постулат, утверждение, вытекающее толькоиз наблюдений и которое может быть отвергнуто только если появятся наблюдения,ему противоречащие) гласит: «Все и только живые системы никогда ненаходятся в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянноработу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующихвнешних условиях». Другими словами, принципиальное отличие между живыми инеживыми системами Бауэр видит в следующем. Любая живая система с моментасвоего возникновения уже одарена неким запасом избыточной энергии по сравнениюс окружающей ее средой. Эта энергия обеспечивает постоянно реализуемуюработоспособность живой системы, а вся ее работа направлена на возрастание или,по меньшей мере, на сохранение достаточного для продолжения жизнедеятельностиуровня активности. Бауэр назвал это состоянием «устойчивогонеравновесия» живой системы относительно окружающей ее среды.
В современном преставлении биология — совокупность наук оживой природе — об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живыхсуществ, их строении и функциях, происхождении и развитии, связях друг с другоми с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности,присущие жизни во всех ее проявлениях.
На начальном этапе развития биология носила описательныйхарактер и позднее она была названа традиционной биологией. Объект изучения ее- живая природа в ее естественном состоянии и целостности.
Карл Линней внес значительный вклад в традиционную биологию,создав систему растительного и животного мира и построил наиболее удачнуюклассификацию растений и животных, подробно описав около 1500 растений.Классификация производилась по определенным признакам, отражающимзакономерности в живой природе.
Материал традиционной биологии накапливается в результатенепосредственного наблюдения объекта изучения — живой природы, воспринимаемойкак единое целое во всем многообразии ее форм и проявлений.
Эволюционная биология построена на концепции развития вбиологии. Эв., биология начиналась с теории Ч. Дарвина. Эволюция, по Дарвину,осуществляется в результате, взаимодействия 3 основных факторов: изменчивости,наследственности и естественного отбора. Изменчивость служит основойобразования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов.Наследственность закрепляет эти признаки. Под действием естественного отбораустраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодарянаследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбораорганизмы в процессе эволюции накапливают все новые приспособительные функции,что, в конечном счете, ведет к образованию новых видов.
Выделяют следующие уровни познания живой материи:
· Клеточный: уровень элементарной жизни, мельчайший элементорганизма, изучаются особенности строения, взаимодействия с окружающей средой,влияние окружающей среды на клетку и ее реакции и т.д.;
· Межклеточный: особенности взаимодействия клеток, взаимныереакции, влияние друг на друга;
· Организменный: строение организма, его функционирование (жизнь),взаимодействие организма с окружающей средой и влияние внешней среды наорганизм;
· Межорганизменный: особенности взаимодействия организмов, взаимноевлияние.
2. В чем суть концепции атомизма? Какиеструктуры материи Вам известны? С какими учеными связана данная концепция? Какразвивалась концепция атомизма и как она связана с современными проблемамипостроения единой физической теории? Каковы особенности использования этоймодели для описания вещества как системы частиц?
Атомизм, атомное учение, атомистика, учение о прерывистом,дискретном (зернистом) строении материи. А. утверждает, что материя состоит изотдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми.Для современного А. характерно признание не только атомов, но и других частицматерии как более крупных, чем атомы (например, молекул), так и более мелких(атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения современного А., электроны суть«атомы» отрицательного электричества, фотоны — «атомы»света и т.д. А. распространяется и на биологические явления, в том числе наявления наследственности. В более широком смысле под А. понимается иногдадискретность вообще какого-нибудь предмета, свойства, процесса.
А. выступал почти всегда как материалистическое учение.Поэтому борьба вокруг него отражала, прежде всего, борьбу между материализмом иидеализмом в науке А. уже с древности был направлен против идеалистического ирелигиозного взгляда на мир, ибо всё сущее он объяснял при помощи частиц материи,не прибегая к сверхъестественным причинам. Материалистическое течение в А.исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно ипознаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов; вобъявлении их лишь удобным средством систематизации опытных данных, в отрицанииих познаваемости.
Атомистические воззрения первоначально (на Др. Востоке, вантичных Греции и Риме, отчасти в средние века у арабов) были лишь гениальнойдогадкой, превратившейся затем в научную гипотезу (17,18 вв. и первые две трети19 в) и, наконец, в научную теорию. С самого зарождения и до конца 1-й четверти20 в. в основе А. лежала идея о тождестве строения макро — и микрокосмоса. Изнепосредственно наблюдаемой расчленённости видимого макромира (прежде всегозвёздного) на отдельные более или менее обособленные друг от друга тела былсделан вывод, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своейчасти так же, как и в величайшей. Древние атомисты считали поэтому непрерывностьматерии кажущейся, как кажется издали сплошной куча зерна или песка, хотя онасостоит из множества отдельных частичек.
Известны следующие структурные уровни материи:
1. Атомарный — уровень элементарных частиц;
2. Молекулярный — уровень межатомарного взаимодействия, образованиемолекул;
3. Вещественный — уровень объединения материи в различные структуры,образование веществ.
Признание единства строения макро — и микрокосмоса открывалопуть к перенесению на атомы таких механических, физических или химическихсвойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретическипредугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел,образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическоезаключение на опыте.
Идея о полном подобии строения макро — и микрокосмоса,казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале 20 в.планетарной модели атома, основу которой составляло положение, что атомпостроен подобно миниатюрной Солнечной системе, где роль Солнца выполняет ядро,а роль планет — электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенныморбитам. Почти вплоть до 2-й четверти 20 в. идея единства строения макро — имикрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полное тождествозаконов и как полное сходство строения того и другого. Отсюда микрочастицытрактовались как миниатюрные копии макротел (как чрезвычайно малые шарики),двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам,с той лишь разницей, что небесные тела связаны силами гравитационноговзаимодействия, а микрочастицы — электрического. Такая форма А. названаклассическим А.
Современный А., воплотившийся в квантовую механику, неотрицает единства природы в большом и малом, но раскрывает качественноеразличие микро — и макрообъектов: микрочастицы представляют единствопротивоположностей прерывности и непрерывности, корпускулярности иволнообразности. Это не шарики, как думали раньше, а сложные материальныеобразования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы)определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в волновыхсвойствах). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокругатомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца(т.е. не по строго определённой орбите), а скорее по аналогии с движениемоблака («электронное облако»), имеющего как бы размытые края. Такаяформа А. названа современным (квантово-механическим) А.
После открытия электрона (английский физик Дж.Дж. Томсон,1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (А.Эйнштейн, 1905) А. принял характер физического учения, причём идея дискретностибыла распространена на область электрических и световых явлений и на понятиеэнергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывныхвеличинах и функциях состояния. Важнейшую черту современного А. составляет А.действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различныхмикрообъектов поддаются квантованию, т.е. могут быть выражены в формедискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, посколькуона носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного А.Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, котораявыражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области:макро — и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) А. достигособенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующейразработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическуюсистему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В.Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924-28) придало А. квантово-механический характер.Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) икончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физикДж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др.,также способствовали конкретизации А. Одновременно в 20 в. шло развитиехимического А. в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы(коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных,высокополимерных соединений); это придавало А. надмолекулярно-химическийхарактер. В итоге можно выделить главные виды А., которые явились вместе с темисторическими этапами в развитии А.: 1) натурфилософский А. древности, 2)механический А.17-18 вв., 3) химический А. 19 в. и 4) современный физический А.
С открытиями в области А. связаны крупные научные эпохи.«Новая эпоха начинается в химии с атомистики..., — писал Энгельс, — а вфизике, соответственно этому, — с молекулярной теории». Революцию в физикена рубеже 19 и 20 вв. вызвали, по словам В.И. Ленина, «новейшие открытия естествознания- радий, электроны, превращение элементов… ». Начало века атомнойэнергии непосредственно связано с дальнейшим развитием современным физическимА.
Неисчерпаемость электрона наглядно обнаружилась посленеудачи попыток построить модель атома, исходя из представления обэлектронах-шариках (или даже точках), наделённых определенной массой и зарядоми двигающихся вокруг ядра по законам классической механики. Ядерная же физикапоказала, что электрон может рождаться из нейтрона, гиперонов и мезонов (свыделением нейтрино), может поглощаться и исчезать как частица в атомном ядре(при захвате), может сливаться с позитроном, словом, испытывать такиемногообразные и сложные коренные превращения, которые неоспоримосвидетельствуют о его реальной неисчерпаемости. В истории познания каждыйкрупный успех А. составлял не только революцию в физическом учении о материи иеё строении, но вместе с тем очередное поражение идеалистического взгляда наприроду (хотя сам по себе А., конечно, отнюдь не всегда и не во всех своих конкретныхформах непосредственно выражал научную истину). Так, открытие Дальтоном законапростых кратных отношений в химии привело в начале 19 в. к крушениюидеалистической теории динамизма (Кант, Шеллинг, Гегель и др.), согласнокоторой основу природы составляет не материя, а прерывные силы. В конце 19 в. вфизике и химии получило распространение феноменологическое, агностическоетечение, связанное с термодинамикой и наиболее отчётливо обнаружившееся вэнергетическом мировоззрении (В. Оствальд, 1895). Энергетизм, как и махизм,отрицал реальность атомов и молекул; он пытался построить всю физику и химию напредставлении о чистой энергии, комплексом различных видов которой объявляласьсама материя и все её свойства. Успехи физики и химии на рубеже 19 и 20 вв., особенноподсчёт числа ионов — газовых частиц, несущих электрические заряды, а такжеизучение «броуновского движения» и др. показали совпадение значенийАвогадро числа, определённого самыми различными физическими методами. В 1908Оствальд признал своё поражение в борьбе против А. «Я убедился, что внедавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, илизернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическаягипотеза в течение столетий и тысячелетий. Изолирование и подсчет числа ионов вгазах..., а также совпадение законов броуновского движения с требованиямикинетической теории… дают теперь самому осторожному ученому право говорить обэкспериментальном подтверждении атомистической теории вещества… Тем самыматомистическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории».
В конце 1-й четверти 20 в. оказалось, что выбрасываемые приb-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда былсделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическоерешение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что приb-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частицаматерии, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали «нейтрино».Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, атакже и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов).Т. о., издесь успех А. принёс поражение идеализму в физике.
После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933)превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары — электрона и позитрона — при прохождении фотона — g-лучей вблизи атомного ядра.Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождениеиз энергии. Развивая А., физики-материалисты (С.И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри идр.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одногофизического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и вэтом отношении А. нанёс своими открытиями удар идеализму.
3. Как происходит процесс теплопередачи?Характеризуйте теплопроводность, конвекцию и излучение и приведите примеры.
Процессы теплопередачи, как внутри одного тела, так и отодного тела к другому, находящимся с ним в прямом контакте, происходят по тойпричине, что кинетическая энергия атомов и молекул из участков, где она выше,под влиянием упругих соударений с соседними атомами переходит в области, гдекинетическая энергия атомов и молекул меньше. В соответствии с этим, описаниепроцессов теплопередачи должно осуществляться не на основе разности температур,как это делалось до сих пор, а на основе разности их внутренних энергийтеплового движения.
Поэтому процесс переноса тепла от тела с большейкинетической энергией к телу с меньшей кинетической энергией может происходить,даже если температура первого меньше температуры второго, т.е. тепло можетпереходить от более холодного тела к более горячему, что противоречитформулировке второго закона термодинамики. Его следует сформулировать болееточно: тело с меньшей кинетической энергией теплового движения атомов (молекул)не может отдать тепло телу, атомы (молекулы) которого обладают большейкинетической энергией теплового движения.
Если привести в соприкосновение два разных металла илиполупроводника с сильно отличающимися характеристическими температурами, то,кроме контактной разности температур, возникает и контактная разностьпотенциалов. Не исключено поэтому, что, составив замкнутую электрическую цепь,за счет контактной разности температур и потенциалов можно получитьэлектродвижущую силу и создать, таким образом, новый прямой способпреобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую — один изспособов, предложенных П.К. Ощепковым.
Кроме основной, традиционной, формулировки второго законатермодинамики (тело с более низкой температурой самопроизвольно не можетотдавать тепло телу с более высокой температурой), существуют еще две. Одна изних: при всех процессах в замкнутых системах энтропия не убывает. Эта,претендующая на всеобщий закон, формулировка абстрактна, и ее правильность, помнению С.В. Цивинского, не подтверждена ни экспериментами, ни безупречнымитеоретическими выводами. Более того, правильность этой формулировки, как законаприроды, не подтверждается даже простым рассмотрением процесса смешения двухидеальных одноатомных газов в замкнутой системе: никакого изменения энтропииздесь не будет. Понятие энтропии не пригодно для точного описания тепловыхпроцессов, так же, как и традиционная формулировка второго законатермодинамики.
Теплопроводность является одним из видов переноса тепла.Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентомтеплопроводности l. Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье — q = — l grad t) коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока qпри градиенте температуры 1 К/м. Наименьшим коэффициентом теплопроводностиобладают газы, наибольшим — металлы. Для сравнения воздух имеет l «0,025Вт/(мЧК), вода l» 0,6 Вт/(мЧК), сталь l «50 Вт/(мЧК), серебро и медьl» 400 Вт/(мЧК). В ограждениях холодильников используемые строительныематериалы (кирпич, бетон) имеют l «0,7…1,0 Вт/(мЧК), а теплоизоляция(пенопласты, минеральная вата l „0,04…0,09 Вт/(мЧК).
Теплоотдача путем конвекции — перемещение частиц газа илижидкости, смешивание их нагретых слоев с охлажденными. В воздушной среде даже вусловиях покоя на теплоотдачу конвекцией приходится до 30% потерь тепла. Рольконвекции на ветру или при движении человека еще более возрастает.
Передача тепла излучением от нагретого тела к холодномусовершается согласно закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разностичетвертых степеней температуры кожи (одежды) и поверхности окружающихпредметов. Этим путем в условиях “комфорта» раздетый человек отдаетдо 45% тепловой энергии, но для тепло одетого человека особой роли теплопотериизлучением не играют.
4. Определите понятия теплоты и температуры.Как связаны эти величины, в каких единицах измеряются? Сколько времени нужновыполнять физические упражнения мощностью в 700 Вт, чтобы сбросить свой вес на450 г (на расщепление 1 г жира расходуется около 40 к Дж, а 1 г углеводов — 20кДж)?
Температура — характеристика степени нагретости тела.Теплота кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемаяинтенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это веществосостоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количествотеплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы;например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключаетсябольше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может бытьбольше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить,наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, толькоизучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некийпериод времени характеристики микроскопического движения многих молекул.Температура вещества — это средний показатель интенсивности движения молекул,энергия которого и есть тепловая энергия вещества.
Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и Bплотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мызаметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и Bнаходятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, необязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловоеравновесие, — достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можноубедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесиес телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра.В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики:если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти теланаходятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основевсех способов измерения температуры.
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтомудолжна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицейэнергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единицколичества теплоты — калорий: международная калория равна 4,1868 Дж,термохимическая калория — 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результатыисследований часто выражают с помощью т. н.15-градусной калории, равной 4,1855Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ):БТЕсредн = 1,055 Дж.
Время выполнения физических упражнений зависит от мощностиэтих упражнений и скорости (интенсивности) их выполнения.
Т = Р / V. Скорость расщепления зависит от веса, которуюнеобходимо сбросить и энергии расщепления жира и углеводов.
V = m* (m*v2/2) = 0.25 * 0.04*105/2 = 200;
V = 0.2*0.02*105/2 = 40;
Таким образом, t = 700 / 240 = 3 часа.
5. Поясните понятия энтропии итермодинамической вероятности. В чем состоит принцип Больцмана? Что общего междупонятиями «энтропия» и «информация»? поясните понятиеинформация, укажите на ее связь с законом необходимого разнообразиякибернетики.
Энтропия — степень хаоса или беспорядка в системе. Второеначало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира — с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должнавозрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высшийзанимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии. Тогданизший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно.Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая иэлектрическая энергии, промежуточный — химическая энергия (из-за тепловыхявлений, сопровождающих химические реакции). Психологически удобно, посколькунаш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной,равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Одиниз творцов теории информации французский физик Бриллюэн (1889-1969) назвал еенегэнтропией: N = — S. Негэнтропия представляет качество энергии, а принципКарно выражает закон оценивания энергии, ее деградации. Система, способнаяпроизводить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятыйнад Землей груз), может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершаяработу, она теряет ее запас.
Во второй половине нашего столетия проблема информации сталаодной из самых актуальных научных проблем, обсуждаемой в разных аспектах и на разныхуровнях. Так, специалист в области передачи информации уделил бы основноевнимание, например, количественным характеристикам, кодированию, влиянию шумов,помех, специалист по информатике интересуется поиском и хранением информации,информационным обеспечением науки и т.п.
Развитие науки о системах управления и кибернетики выдвинулозадачу исследования природы и сущности информационных процессов, без которыхнемыслима работа ЭВМ и систем управления. Исследования генетиков привели квыводу, что в основе биологической наследственности также лежит информация,благодаря которой живое воспроизводит себя в потомстве. В нейрофизиологиипредставление об информации позволило сформулировать закон о пропорциональностиощущения логарифму возбуждения, поскольку нервные волокна, передающие сигнал отакцепторов к мозгу, действуют по принципу идеального канала связи. Специалистпо семантике смотрит на информацию как на систему знаков.
В обыденном сознании, по мнению академика В.М. Глушкова,понятие информации охватывает как те сведения, которыми располагают иобмениваются люди, так и те, что существуют независимо от них. Объем этойинформации растет, так что можно говорить об информационном буме.
Прогресс кибернетики связан и с совершенствованием средствоценки измерений информации. Винер, один из создателей этой науки, не далопределения информации, но отметил, что «это не материя, и неэнергия», это просто «информация». В 1927 г. Р.В. Хартлипредложил исходить из того, что количество информации, заключенной в любом сообщении,связано с количеством возможностей, исключающихся этим сообщением.
Клод Шеннон и Уоррен Уивер в своем фундаментальном труде«Математическая теория связи» (1949 г) развили идею Хартли ипредставили формулу вычисления количества информации, в которой последняявозрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. Так информация былаими определена как мера свободы чьего-либо выбора, как логарифм доступныхвыборов.
В 40-х годах Шеннон, исследуя пропускную способность каналовсвязи, вывел простую формулу, по которой можно рассчитать количествоинформации, отвлекаясь от ее качественных характеристик. Количество информациистали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса — энтропии.
Эта формула была функционально эквивалентна формуле,написанной Планком для термодинамической энтропии. Ряд ученых предполагалиогромные возможности, открывающиеся из-за этого совпадения. Другие былиосторожными в своих оценках. Эшби, например, заметил: «Движение в этихобластях напоминает движение в джунглях, полных ловушек».
6. Что такое — фазовое равновесие,перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависитточка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессысублимации и десублимации? Приведите примеры.
Нальем в сосуд водопроводной воды и поместим над горелкой.Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим многочисленные пузырьки. Они содержатводяной пар и воздух, который всегда растворен в воде за счет явления диффузии.
Рассмотрим пузырек, возникающий около горячего дна.Увеличиваясь в объеме, пузырек увеличивает площадь своего соприкосновения с ещенедостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырькаохлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды«захлопывает» пузырек. В этот момент закипающая вода издаетхарактерный шум. Он возникает из-за ударов воды о дно сосуда там, гдезахлопываются пузырьки. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутрипузырьков уже не уменьшается. Пузырьки перестают схлопываться и начинают расти.С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объема пузырьковвозрастает архимедова сила, и они начинают всплывать.
Итак, кипением называется интенсивное (бурное)парообразование, происходящее по всему объему жидкости внутрь возникающих ивсплывающих на поверхность многочисленных пузырей пара.
Опыты показывают, что во время кипения температура жидкостии пара над ее поверхностью одинакова и остается постоянной до полного выкипанияжидкости. Поэтому температура кипения — одна из характеристик вещества.
По мере кипения масса жидкости уменьшается (говорят, что она«выкипает»). Пар, покидающий сосуд, уносит с собой часть внутреннейэнергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости необходимо постоянно передаватьей теплоту. Измерив массу выкипевшей жидкости, легко подсчитать количествотеплоты, затраченное на образование пара. Для этого служит формула Q=rm,изучение которой предусмотрено на факультативных занятиях.
Кипение не при атмосферном давлении. Оказывается, что слова«кипяток» и «горячий» — не синонимы, то есть имеют разныйсмысл. Чтобы уяснить эту разницу, рассмотрим опыт. Возьмем колбу и вскипятим вней воду. Немного подождем, чтобы вода чуть-чуть остыла, а затем закроем колбупробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мызаставим воду кипеть вновь!
Итак, опытным путем мы установили, что при уменьшениидавления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным иобратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости приведет квозрастанию температуры ее кипения. Объясним этот факт.
Рассмотрим давление, воздействующее на зарождающийся пузырекпара. Оно складывается из гидростатического давления слоя жидкости (pж=rgh) ивнешнего давления (pатм = 101,3 кПа), которое передается пузырьку через слойжидкости согласно закону Паскаля. Если какое-либо из этих давлений вдругуменьшится, то давление пара внутри пузырька сможет расширять его даже применьшей температуре, что мы и наблюдали на опыте. И наоборот: увеличениедавления на зарождающийся пузырек (например, по причине толстого слоя налитойводы) приведет к необходимости прогрева жидкости до более высокой температуры.Только в этом случае давление пара сможет расширять пузырьки, заставляя водукипеть.
Сублимация — это переход состояние через фазу — т.е. изтвердого в газообразное. Десублимация — переход агрегатного состояния черезфазу в обратном направлении — из газообразного в твердое. Переход вещества изтвердого состояние непосредственно в газообразное можно наблюдать, например, воболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от Солнца, почти всяее масса сосредоточена в ядре. Ядро окружено небольшой оболочкой газа. Присближении кометы с Солнцем ядро и оболочка кометы начинают нагреваться,вероятность сублимации растет, а десублимации — уменьшается.
7. Поясните смысл понятия «фотон».Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?
В современной физике фотон рассматривается как одна изэлементарных частиц, которая обладает следующими свойствами:
Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. егозаряд равен нулю (q = 0).
Во всех системах отсчета скорость фотона равна скоростисвета в вакууме (м = с).
Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитногоизлучения, квантом которого он является (Е = hv).
Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости иобратно пропорционален длине волны
Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамкахклассической теории позволяет приписать ему «традиционные» для частицхарактеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией междувеществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительнойидею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущихпри излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скоростьраспространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельнымзначением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массойпокоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедуразагорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:
Наличие импульса у фотона позволило изящно и количественноправильно описать явление светового давления как простое следствие законасохранения импульса при поглощении света веществом.
Концепция фотонов привела к большим трудностям приинтерпретации экспериментов по интерференции и дифракции, доказывающих волновуюприроду света.
В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованностиизлучаемой энергии. Порция излучаемой энергии равна
? = h·?, где h — постоянная Планка, ?? — частотаэлектромагнитного излучения.
Идея квантования является одной из величайших физическихидей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретныйряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законыповедения микрочастиц.
Гипотеза Планка получила дальнейшее развитие в работахЭйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и поглощается ираспространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение (в томчисле и свет) представляет собой поток фотонов.
Фотон — мельчайшая частица электромагнитного излучения,имеющая энергию в один квант.
Световые частицы (фотоны) одновременно обладают и волновымии корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из законавзаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как??m·c2. Из формул 1 и 2 получим, что масса фотона равна m = h·??c2.
Масса определяемая соотношением 3, является массойдвижущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не можетсуществовать в состоянии покоя. Все фотоны движутся со скоростью с = 3·108 м/с.Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·??c = h/?..
Наличие импульса у фотона экспериментально подтверждаетсяоткрытием давления света. В таблице приведены волновые и корпускулярныехарактеристики фотона, и их взаимосвязь.
Величины, описывающие волновые свойства Величины,описывающие квантовые свойства Формулы, объединяющие два класса величин
Частота — ? Масса фотона — m m = h·??c2
Период — T Скорость фотона — c
Длина волны — ? Импульс фотона - p = m·c p = h·??c=h/?
V = ?·? Энергия E = m·c2 E = h·?
8. Сопоставьте понятия «популяция»и «вид». Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почемуразные популяции одного вида отличаются по частоте генов?
Популяция — структурная единица вида. Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободноскрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основуи в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.
Важный признак вида — расселение его группами, популяциями впределах ареала. Популяция — совокупность свободно скрещивающихся особей вида,которые длительное время существуют относительно обособленно от другихпопуляций на определенной части ареала.
Факторы, способствующие объединению особей в популяции, — свободное скрещивание (взаимоотношения полов), выращивание потомства(генетические связи), совместная защита от врагов, типы взаимоотношенийорганизмов разных видов: хищник-жертва, хозяин-паразит, симбиоз, конкуренция.
Популяция — структурная единица вида, характеризуетсяопределенной численностью особей, ее изменениями, общностью занимаемойтерритории, определенным соотношением возрастного и полового состава. Изменениечисленности популяций в определенных пределах, сокращение ее ниже допустимогопредела — причина возможной гибели популяции.
Изменение численности популяций по сезонам и годам (массовоеразмножение в отдельные годы насекомых, грызунов). Устойчивость численностипопуляций, особи которых имеют большую продолжительность жизни и низкую плодовитость.
Причины колебания численности популяций: изменениеколичества пищи, погодных условий, экстремальные условия (наводнения, пожары ипр.). Резкое изменение численности под влиянием случайных факторов, превышениесмертности над рождаемостью — возможные причины гибели популяции.
Саморегуляция численности популяции. Вслед за возрастаниемчисленности одних видов появляются факторы, вызывающие ее ограничение. Так,возрастание численности растительноядных животных сопровождается увеличениемчисленности хищников, паразитов. Вследствие этого происходит снижениечисленности растительноядных животных, а затем и численности хищников. Таковмеханизм саморегуляции численности всех популяций, сохранения ее наопределенном уровне.
Разные популяции одного вида могут отличаться по частотегенов. Важнейшим свойством генов является сочетание их высокой устойчивости вряду поколений со способностью к наследуемым изменениям (мутациям), служащимосновой изменчивости организмов, дающей материал для естественного отбора. Так жечисло генов, зависит от особенностей окружающей среду, где обитает популяция,поэтому в разных условиях окружающей среды число генов может меняться.
9. Как происходит деление клеток, ядра иДНК? Как реализуется система воспроизводства на молекулярном уровне? В чемособенности биотехнологий: генной и клеточной инженерии, каковы их возможностии перспективы?
Деление клеток — основа роста и размножения организмов,передачи наследственной информации от материнского организма (клетки) кдочернему, что обеспечивает их сходство. Деление клеток образовательной ткани — причина роста корня и побега верхушками.
Ядро и расположенные в них хромосомы с генами — носителинаследственной информации о признаках клетки и организма. Число, форма иразмеры хромосом, набор хромосом — генетический критерий вида. Роль деленияклетки в обеспечении постоянства числа, формы и размера хромосом. Наличие вклетках тела диплоидного (46 у человека), а в половых — гаплоидного (23) наборахромосом. Состав хромосомы — комплекс одной молекулы ДНЯ с белками.3. Жизненныйцикл клетки: интерфаза (период подготовки клетки к делению) и митоз (деление).
1) Интерфаза — хромосомы деспирализованы (раскручены). Винтерфазе происходит синтез белков, липидов, углеводов, АТФ, самоудвоениемолекул ДНК и образование в каждой хромосоме двух хроматид;
2) фазы митоза (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) — рядпоследовательных изменений в клетке: а) спирализация хромосом, растворениеядерной оболочки и ядрышка; б) формирование веретена деления, расположениехромосом в центре клетки, присоединение к ним нитей веретена деления; в)расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки (они становятсяхромосомами); г) формирование клеточной перегородки, деление цитоплазмы и ееорганоидов, образование ядерной оболочки, появление двух клеток из одной содинаковым набором хромосом (по 46 в материнской и дочерних клетках человека).
Репликация ДНК происходит следующим образом. Двойная спиральраскручивается по разрывающимся водородным связям. Определенные ферменты строятновые цепи, связывая между собой нуклеотиды, комплиментарные нуклеотидам каждойиз двух исходных цепей спирали ДНК.
Значение митоза — образование из материнской двух дочернихклеток с таким же набором хромосом, равномерное распределение между дочернимиклетками генетической информации.
Современный уровень знаний в области биохимии позволяет нетолько понять и проследить тонкие процессы происходящие на генном уровне, но ииспользовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии,позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. Появиласьвозможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получатьнужный белок. Для этого создается рекомбинатная ДНК, которая возникает, когда ДНКодного организма внедряется в клетку другого. Так, в 80-е годы были разработаныинтерфероны — белки, способные подавлять размножение вирусов.
10. Что такое синергетика и каково еезначение для современной картины мира? Какие этапы можно выделить в развитиисамоорганизующихся систем? Каково соотношение случайного и закономерного вконцепции развития? Поясните понятия «хаоса», «бифуркации»,«катастрофы». Опишите процессы самоорганизации материи в процессеэволюции галактик и звезд.
Около 50 лет назад в результате развития термодинамикивозникла новая дисциплина — синергетика. Являясь наукой о самоорганизации самыхразличных систем — физических, химических, биологических и социальных — синергетика показывает возможность хотя бы частичного снятия междисциплинныхбарьеров не только внутри естественно научной отросли знания, но так же и междуестественно научной и гуманитарной культурами. Слово «синергетика» иозначает «совместное действие», подчеркивая согласованностьфункционирования частей, отражающихся в поведении системы как целого. То естьпредлагаются базовые модели, новые понятия и методы, которые могут бытьприменены в данной ситуации, которые могут стать основой построения новойнелинейной познавательной парадигмы, а могут остаться находками в различныхдисциплинах.
Дерзкая мысль о поиске аналогий и общих закономерностейпреобразования структур в столь разнообразных по форме и различных по своейприроде системах показалось весьма привлекательной профессору Хакену. Он назвалобщие черты изучаемых синергетикой систем. Такие системы:
· состоят из одинаковых или различных систем, взаимодействующихдруг с другом;
· нелинейные;
· открытые и далеки от теплового равновесия;
· подвержены внутренним и внешним колебаниям;
· способны эволюционируя, утрачивать устойчивость и становитьсянестабильными.
Любое синергетической исследование начинается с описаниясостояния системы, — иными словами ее параметров или переменных состояний. Ихполный набор определяет состояние системы.
Говоря о состоянии системы, нельзя не упомянуть о случайныхсобытиях. Они подразделяются на два типа: события остающиеся случайными прилюбом уровне знаний (например, невозможно предсказать, в какой момент временипроизойдет распад радиоактивного атома) и события случайность которых связана сполнотой знаний, т.е. с уровнем описания (таковы флуктуации плотности вжидкостях, газах, твердых телах или флуктуации электрического тока в металлах иполупроводниках)
Случайность в обыденном смысле есть проявление хаоса. Этонечто непредвиденное, беспричинное, бессмысленное. В современной наукеслучайное превратилось в отвечающую всем научным стандартам, строго и полноопределенную форму порядка. Создать работающие модели многих явлений удалосьтолько после кардинального изменения подхода к случайному.
Путь развития сложной системы всегда неединственный. Можновмешаться в нужный момент в ход событий и изменить его. Таким образом, будущеетакже, оказывается, имеет неединственный вариант. В данном случае ответсинергетики состоит в том, что во множестве случаев происходит самоорганизация,связанная с выделением так называемых параметров порядка.
Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многихподсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы,клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди.При выборе математического аппарата необходимо иметь в виду, что он должен бытьприменим к проблемам, с которыми сталкиваются физик, химик, биолог,электротехник и инженер механик. Не менее безотказно он должен действовать и вобласти экономики, экологии и социологии. Во всех этих случаях нам придетсярассматривать системы, состоящие из очень большого числа подсистем,относительно которых мы можем не располагать всей полной информацией. Дляописания таких систем не редко используют подходы, основанные на термодинамикии теории информации.
Во всех системах, представляющих интерес для синергетики,решающую роль играет динамика. Как и какие макроскопические состояния образуются,определяются скоростью роста (или распада) коллективных «мод». Можносказать, что в определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенномударвинизму, действие которого распознается не только на органический, но и нанеорганический мир: возникновение макроскопических структур обусловленныхрождением коллективных мод под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и,наконец, отбором «наиболее приспособленной» моды или комбинации такихмод. Ясно, что решающую роль играет параметр «время». Следовательно,мы должны исследовать эволюцию систем во времени. Именно поэтому интересующиенас уравнения иногда называют «эволюционными».
Хаос — неупорядоченно, неструктурированное состояниесистемы. Катастрофа — резкое разрушение системы в результате роста энтропии ихаоса.
Бифуркация в широком понимании — приобретении новогокачества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров(возникновение при некотором критическом значении параметра нового решенияуравнений). Отметим, что при бифуркации выбор следующего состояния носит сугубослучайный характер, так что переход от одного необходимого устойчивогосостояния к другому необходимому устойчивому состоянию проходит через случайное(диалектика необходимого и случайного). Любое описание системы, претерпевающейбифуркацию, включает как детерминистический, так и вероятностный элементы, отбифуркации до бифуркации поведении системы детерминировано, а в окрестноститочек бифуркации выбор последующего пути случаен. Проводя аналогию сбиологической эволюцией можно сказать, что мутации — это флуктуации, а поискновой устойчивости играет роль естественного отбора. Бифуркация в некоторомсмысле вводит в физику и химию элемент историзма — анализ состояния, например,подразумевает знание истории системы, прошедшей бифуркацию.
Список литературы
4. Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. — Новосибирск:СибАГС, 2001.
5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. — Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
6. Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс ввопросах и ответах — Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003.