Реферат: Концепции современного естествознания

1. Естествознание– предмет и характеристика. Особенности курса КСЕ

концепциисовременного естествознания

Концепции – суть, основные представления

современное – всё, что накопило человечество вобласти естественных наук за время своего существования;

естествознание – 1) это наука о природе как единойцелостности;

2) это совокупность науко природе, взятой как единое целое.

Задачи курса КСЕ:

1 – Выявить скрытыесвязи, которые создают органическое единство физических, химических ибиологических явлений.

2 – Глубже и точнеепонять сами эти явления, в известной степени, по-новому освоить физику, химию ибиологию.

Цель курса КСЕ:

Формирование у студентовнаучного мировоззрения, повышение общего кругозора и культуры мышления.

Предметестествознания:

— различные формыдвижения материи в природе;

— лестницапоследовательных уровней организации материи и их взаимосвязи;

— основные формы всякогобытия – пространство и время;

— закономерная связьявлений природы, как общего, так и специфического характера.

Цели естествознания:

— находить сущностьявлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новыеявления;

— раскрывать возможностииспользования на практике познанных законов природы.

Можно сказать, что уестествознания есть ближайшая, или непосредственная, цель – этопознание законов природы, а значит, и истины, и конечная цель –содействовать практическому использованию этих законов. Таким образом, целиестествознания совпадают с целями самой человеческой деятельности.

2. Наука –определение. Специфические черты

Наука – сфера человеческой деятельности,функция которой состоит в выработке и систематизации объективных знаний одействительности.

Специфические чертынауки:

1.НаукаУНИВЕРСАЛЬНА — втом смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при техусловиях, при которых они добыты человеком.

2. Наука ФРАГМЕНТАРНА — в том смысле, что изучает не бытиев целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится наотдельные дисциплины.

3. НаукаОБЩЕЗНАЧИМА — втом смысле, что получаемые ею знания пригодны для всех людей, и ее язык —однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать своитермины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголкахпланеты.

4. НаукаОБЕЗЛИЧЕННА — втом смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность илиместо проживания никак не представлены в конечных результатах научного

познания.

5. НаукаСИСТЕМАТИЧНА — втом смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязнымнабором частей.

6. НаукаНЕЗАВЕРШЁННА — втом смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не можетдостичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.

7. НаукаПРЕЕМСТВЕННА — втом смысле, что новые знания

определенным образом и поопределенным правилам соотносятся со старыми знаниями.

8. Наука КРИТИЧНА — в том смысле, что всегда готовапоставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающиерезультаты.

9. Наука ДОСТОВЕРНА— в том смысле, что ее выводы требуют, допускают ипроходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.

10. Наука ВНЕМОРАЛЬНА — в том смысле, что научные истинынейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либок деятельности по получению знания (этика ученого требует от негоинтеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо кдеятельности по его применению.

11. Наука РАЦИОНАЛЬНА — в том смысле, что получает знанияна основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулированиятеорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.

12. Наука ЧУВСТВЕННА — в том смысле, что ее результатытребуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этогопризнаются достоверными.

Эти свойства наукиобразуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность— фрагментарность, общезначимость — обезличенность, систематичность —незавершенность, преемственность — критичность, достоверность — внеморальность,рациональность — чувственность.


3. Культура – определениеи специфика. Виды культуры

 

Культура – это совокупность созданныхчеловеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческаяспособность эти ценности создавать и использовать.

Любой предмет культурыможно разложить как минимум на 2 составляющие:

1) природная основа;

2) социальноеоформление.

Эта двойственность миракультуры является основой существования двух её типов: естественно-научногои гуманитарного.

 

Критерии различениягуманитарного и естественно-научного знания

Критерии различения

Естественные науки

Гуманитарные науки

Объект исследования

природа

общество

Ведущая функция

объяснение (истина доказывается)

понимание (истина истолковывается)

Характер методологии

генерализирующий (обобщающий)

индивидуализирующий

Антропоцентризм

изгоняется

неизбежен

Идеологическая нагрузка

Идеологический нейтралитет

Идеологическая нагруженность

Количественно- качественные характеристики

преобладание количественных оценок (математика)

преобладание качественных оценок

Применение экспериментальных методов

составляют основу методологии

затруднено

Характер объекта исследования

1) материальный; 2) относительно устойчивый

1) больше идеальный, чем материальный; 2) относительно изменчивый

 


Взаимосвязьестественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем:

—   ониимеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека ичеловечества, в создании оптимальных условий для самосохранения исамосовершенствования;

—   осуществляютвзаимообмен достигнутыми результатами;

—   взаимнокоординируют в процессе развития человечества;

—   являютсясамостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры вцелом.

Мыявляемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры идругие специалисты — гуманитарии начинают применять в своей работе системныйподход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание фундаментальныхзаконов естествознания и в частности физики. Поясним вышесказанное примерами изпрактики. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знатьзаконы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, если онне знает, что такое масса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д., он несможет реально применить свои профессиональные знания.

Английский историк иписатель Ч. Сноу написал книгу о «двух культурах», которые существуют всовременном индустриальном и постиндустриальном обществе, — естественно-научнойи гуманитарно-художественной. Он сокрушается по поводу огромной пропасти,которая наблюдается между ними и с каждым годом все возрастает. Ученые, посвятившиесебя изучению гуманитарных и точных отраслей знания, все более и более непонимают друг друга. По мнению Сноу, это очень опасная тенденция, котораягрозит гибелью всей человеческой культуре. Несмотря на излишнюю категоричностьи спорность некоторых суждений Сноу, в целом нельзя не согласиться с наличиемпроблемы и оценкой ее важности. Действительно, существуют немалые различиямежду естественно-научным и гуманитарным познанием. Естествознаниеориентировано на повторяющееся, общее и универсальное, абстрактное;гуманитарное познание — на специальное, конкретное и уникальное, неповторимое.Цель естествознания — описать и объяснить свой объект, ограничить своюзависимость от общественно-исторических факторов и выразить знание с позицийвневременных принципов бытия, выразить не только качественные, но иколичественные характеристики объекта. Цель гуманитарных наук — прежде всего,понять свой объект, найти способы конкретно-исторического, личностногопереживания, толкования и содержания объекта познания и своего отношения к немуи т.д.

 

4. Характеристиказнаний в древнем мире (Вавилон, Египет, Китай)

От ранних цивилизаций,возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), неосталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, заисключением знания овеществленного в архитектурных сооружениях и бытовыхизделиях. Возводя различного рода сооружения, изготавливая предметы быта иоружие, люди использовали определенные результаты многочисленных физическихнаблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовалиопределенные эмпирические физические знания, но не было системы физическихзнаний.

Физические представленияв Древнем Китае появились на основе различных форм технической деятельности, впроцессе которых вырабатывались разнообразные технологические рецепты.Естественно, что, прежде всего, развивались механические знания. Так, китайцыимели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии (то,что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении сэталоном). В области оптики китайцы имели представление об образованииобратного изображения в «camera obscura». Уже в VI веке до н. э. они зналиявления магнетизма — притяжения железа магнитом, на основе чего был созданкомпас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса.Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретическогообъяснения.

В Древней Индии основунатурфилософских представлений составляло учение о пяти элементах — земле,воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строениивещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствахматерии, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость, о движении и вызывающихего причинах. К VI в. до н. э. физические представления обнаруживают тенденциюперехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Главнымфактором эволюции науки, как системы знаний, которые необходимо было сохранять,накапливать и передавать, явилось изобретение письменности. Пиктографическое(рисуночное) письмо шумеров появилось около 3200 лет до нашей эры. Около 3000лет до нашей эры в Египте возникла система письменности, которую называютиероглифической. В ней для обозначения букв, звуков и слов используют символы.Около 2800 до нашей эры соседи шумеров вавилоняне, ассирийцы и персыпреобразовали пиктографическое письмо в клинопись. И, наконец, около 1300 летдо нашей эры в Сирии был создан первый алфавит. Он состоял из 32 букв, каждаяиз которых соответствовала отдельному звуку. Древние греки заимствовали этусистему, и она стала предшественницей латинского алфавита.

В древнем миренедостаточность знаний приводила к обожествлению сил природы, и люди, изучающиеих, становились одновременно жрецами богов. Египетские жрецы — астрономысчитали небо огромными часами и по расположению луны и звезд узнавали времяразлива Нила и сроки празднования тех или иных праздников. Первый календарь,состоящий из 365 дней, ввел египетский жрец по имени Имхотеп.

Шумеры (около 4000-3200лет до н. э.) изобрели десятичную систему счета и были искусными математиками иастрономами.

Вавилоняне (1900 — 600лет до н. э.) умели предсказывать движения планет и звезд, пользуясь таблицамис описаниями перемещений планет, составленных на основе многолетних наблюдений.Они хотели уточнить календарь и предсказать будущее. Вавилоняне давалисозвездиям имена своих богов. Эти знания легли в основу древнегреческойастрологии.

Общепринято мнение, чтопервоистоки современной науки — из древнегреческой культуры, чему способствуютссылки основоположников современной науки Н.Коперника, И.Кеплера, Г.Галилея наработы мыслителей Древней Греции. Древние греки, пытаясь глубоко понять иизучить окружающий мир, ставили много вопросов, проделывали различные вычисления,наблюдали и классифицировали окружающий мир. Они впервые поняли необходимостьестественнонаучного, а не божественного, объяснения причин и следствийнаблюдаемых явлений и предметов. Но самым главным достижением древних грековбыло не отрицание божественного происхождения мира, а создание учения обатомном строении веществ и первых академий и лицеев как учебных заведений. Идеиатомистики оказали существенное влияние на творчество Бойля, Ньютона,Ломоносова, Дальтона, Авогадро, Лавуазье, Менделеева и других выдающихсяестествоиспытателей. Благодаря их усилиям, на базе идей атомистического учения,еще до экспериментального подтверждения существования атомов, была разработанафизико-химическая теория строения вещества. На ее основе в XIX в. были достигнутыпоразительные успехи в области химии.

Идеи греков сталиизвестны Европе через арабов. Все нынешние произведения древних греков мы знаемв переводах с арабского на латынь. Арабские ученые сохранили и передалисредневековой Европе идеи античности. Арабское средневековье не только впиталознания и философию древних греков, но и имело значительные научные достижения.В арабском мире, особенно в эпоху между 900 и 1200 гг., процветали науки иискусства. Арабские мыслители создали алгебру. У них даже поэты были вначалематематиками и уже потом поэтами. Развитие крупных городов послужило источникомразвития медицины. Произведение Абу Али ибн Сины (Авиценны), выходца стерритории нынешнего Узбекистана, «Канон медицины» практически до 17века был каноном для всех врачей.

Арабские мыслителиподарили науке не только методологические установки, но и множество терминов — аль хебри — алгебра, аль хемия — алхимия, аль хогол – алкоголь и др. В науке,как правило, многие явления обозначаются латинскими и греческими словами, и этислова воспринимаются как термины. Они и являются терминами. Но арабские ученыесоздали именно сами термины, которые уже потом были переведены на латынь.Каждая наука имеет свой язык, выраженный совокупностью понятий и терминов.Многие слова греческого языка наряду с латынью используются в виде научныхтерминов. Однако сами термины были изобретены арабами.

5. Естествознаниесредневековья (мусульманский Восток, христианский Запад)

 

Эпоха средних вековхарактеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резкимусилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. В эту эпоху философиятесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее«служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой, делающей своивыводы из результатов наблюдение опытов, включая и обобщение этих результатов,и схоластическим богословием, для которого истина заключается в религиозныхдогмах. Пока европейская христианская наука переживала длительный период упадка(вплоть до ХII-ХШ вв.), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки. Совторой половины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы наБлижний Восток. В IX веке, наряду с главным трудом Птолемея(«Альмагест»), на арабский язык были переведены «Начала» Евклидаи сочинения Аристотеля. Таким образом, древнегреческая научнаямысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитиюастрономии и математики. В истории науки этого периода известны такие именаарабских ученых, как Мухаммед аль-Баттани(850—929гг.), астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнас(950-1009 гг.), достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немалоценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам(965-1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд(1126-1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель своего времени,считавший Аристотеля своим учителем. Средневековой арабской науке принадлежат инаибольшие успехи в химии. Опираясь на материалы александрийских алхимиков Iвека и некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительногопрогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась вхимию. А уже отсюда (благодаря, главным образом, испанским маврам) в позднеесредневековье возникла европейская химия. В XI веке страны Европы пришли всоприкосновение с богатствами арабской цивилизации, а переводы арабских текстов стимулировали восприятие знаний Востока европейскиминародами. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты(Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться,начиная с XII века. И хотя эти университеты первоначально предназначались дляподготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математическогои естественнонаучного направления, а само обучение носило, более чем когда-либораньше, систематический характер. XIII век характерен для европейской наукиначалом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда.Здесь наиболее существенный прогресс был достигнут группой ученых Парижскогоуниверситета во главе с Иорданом Неморарием (вторая половина XIII в.). Они развили античное учение оравновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античнаямеханика справиться не могла, — задачу о равновесии тела на наклоннойплоскости. В XIV веке в полемике с античными учеными рождаются новые идеи,начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовкибудущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученыхОксфордского университета, среди которых наиболее значительная фигура — ТомасБрадвардин (1290-1349 гг.). Ему принадлежиттрактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается какпервая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (именнотак почти триста шестьдесят лет спустя назовет свой знаменитый труд ИсаакНьютон). Научные знания эпохи средневековья ограничивались в основном познаниемотдельных явлений и легко укладывались в умозрительные натурфилософские схемымироздания, выдвинутые еще в период античности (главным образом в ученииАристотеля). В таких условиях наука еще не могла подняться до раскрытияобъективных законов природы. Естествознание — в его нынешнем понимании — еще несформировалось. Оно находилось в стадии своеобразной «преднауки».

 

6. Наука Новоговремени (Н. Коперник, Дж. Бруно, Г. Галилей, И. Ньютон и другие)

Период конца XV-XVI веков, получивший название эпохи Возрождения,ознаменовал переход от средневековья к Новому времени. НаукаНового времени отличалась существенным прогрессом и радикальным изменениеммиропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учениявеликого польского астронома Николая Коперника (1473-1543). Такжеон является создателем теории о вращении Земли вокруг Солнца, о суточномвращении Земли вокруг своей оси. Эта теория вступала в противоречие ссуществовавшими представлениями о Земле как избраннице Божией, стоящей,согласно схеме Птолемея, в центре мира. Коперник высказал очень важную мысль одвижении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненномнекоторым общим закономерностям единой механики. Тем самым было разрушенодогматизированное представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе»,якобы приводящем в движение Вселенную.

Одним из активныхсторонников учения Н. Коперника был знаменитый итальянский мыслитель ДжорданоБруно (1548-1600). Он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центраВселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Ряд новыхположений, которыми Дж. Бруно дополнил систему Н. Коперника:

—  о существованиибесконечного количества миров;

—  о том, что Солнцене является неподвижным, а меняет свое положение по отношению к звездам;

—  о том, чтоатмосфера Земли вращается вместе с нею.

Главная идея Дж. Бруно –идея о материальном единстве Вселенной как совокупности бесчисленных миров,таких же планетных систем, как наша. 17 февраля 1600 г., как нераскаявшийсяеретик, Дж. Бруно был сожжен на костре, на Площади цветов в Риме инквизицией.

Трагическая гибель ДжорданоБруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени.Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыгралXVII век, ознаменовавшийся рождениемсовременной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, какГалилей, Кеплер, Ньютон.

Галилео Галилей (1564-1642) – великий итальянскийастроном и физик, создатель основ механики, борец за передовое мировоззрение.Он сформулировал принцип инерции:

тело либо находится в состояниипокоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, еслина него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Также он установил, чтоскорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель),а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения.Именно Г. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося подвоздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Емупринадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законовколебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивленииматериалов. Велики его заслуги в области астрономии:

—  открыл 4 спутникаЮпитера;

—  открыл пятна наСолнце и кольца Сатурна;

—  увидел, чтоповерхность Луны гористого строения, и что Луна имеет либрацию (видимыепериодические колебания маятникового характера вокруг центра);

—  убедился, чтокажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд;

—  принял теорииКоперника о строении Вселенной;

—  считался «отцом»экспериментальной физики, так как верным считал то, что может быть доказаноопытным путем;

—  единственнымкритерием истины считал чувственный опыт, практику.

Галилею пришлосьпредстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужденотречься от учения Коперника и принести публичное покаяние.

Однако прерватьпреемственность научной мысли было уже невозможно, и с астрономическиминаблюдениями Галилея ознакомился и высоко оценил Иоган Кеплер(1571-1630) – один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII века. На основе обобщения данныхастрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительноСолнца.

1-й закон:

каждая планета движетсяпо эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2-й закон:

радиус-вектор,проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равныеплощади.

3-й закон:

квадраты времен обращенияпланет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Также Кеплер разработалтеорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнилвеличину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы (спомощью этих таблиц можно было определять положение планет в любой моментвремени с высокой степенью точности). Кеплеру принадлежит решение ряда важныхдля практики стереометрических задач. Он был сторонником гелиоцентрическойкосмологии Коперника.

Творчеством одного извеличайших ученых человечества, каковым был Исаак Ньютон(1643-1727), завершалась вторая научная революция. Его научное наследиечрезвычайно разнообразно. Самое главное научное достижение И. Ньютона былопродолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Ньютонсформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики какнауки.

1-й закон:

всякое тело сохраняетсостояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока ононе будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

2-й закон:

приобретаемое телом поддействием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе иобратно пропорционально массе тела.

3-й закон:

действия двух тел друг надруга равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законовдвижения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения,согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, вкоторой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональноеих массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Ньютонсоздал дифференциальное и интегральное исчисления. Он сделал важныеастрономические наблюдения, внес большой вклад в развитие оптики (опыты вобласти дисперсии света). В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона«Математические начала натуральной философии», заложивший основы современнойтеоретической физики.

7. Классическоеестествознание – характеристика

В XVII веке родилось классическоеестествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые какН. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер,Р. Декарт, И. Ньютон, Ф. Бэкон.

1.Классическое естествознание заговорило языком математики. Античная наукатоже ценила математику, однако ограничивала сферу ее применения «идеальными»небесными сферами, полагая, что описание земных явлений возможно толькокачественное, т.е. нематематическое. Новое естествознание сумело выделитьстрого объективные количественные характеристики земных тел (форма, величина,масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.

2.Новоевропейская наука нашла также мощную опору в методахэкспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями.Это подразумевало активное, наступательное отношение к изучаемой природе, а непросто ее созерцание и умозрительное воспроизведение.

3.Классическое естествознание безжалостно разрушило античные представленияо космосе как вполне завершенном и гармоничном мире, который обладаетсовершенством, целесообразностью и т.д. На смену им пришла скучная концепциябесконечной, без цели и смысла существующей Вселенной, объединяемой лишьидентичностью законов.

4.Доминантой классического естествознания, да и всей науки Нового временистала механика. Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний оприроде к фундаментальным принципам и представлениям механики. При этом всесоображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания былигрубо изгнаны из царства научной мысли. Утвердилась чисто механическая картинаприроды.

5.Сформировался также четкий идеал научного знания: раз и навсегдаустановленная абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять вдеталях, но радикально переделывать уже нельзя. При этом в познавательнойдеятельности подразумевалась жесткая оппозиция субъекта и объекта познания, ихстрогая разделенность. Объект познания существует сам по себе, а субъект (тот,кто познает) как бы со стороны наблюдает и исследует внешнюю по отношению кнему вещь (объект), будучи при этом ничем не связанным и не обусловленным всвоих выводах, которые в идеале воспроизводят характеристики объекта так, какесть «на самом деле».

8. Неклассическое естествознание– характеристика

 

Подрывуклассических представлений в естествознании способствовали некоторые идеи,которые зародились еще в середине XIX века, когда классическая наука находилась в зените славы. Среди этихпервых неклассических идей, в первую очередь, следует отметить эволюционнуютеорию Ч. Дарвина. Как известно, в соответствии с этой теорией биологическиепроцессы в природе протекают сложным, необратимым, зигзагообразным путем,который на индивидуальном уровне совершенно непредсказуем. Явно не вписывалисьв рамки классического детерминизма и первые попытки Дж. Максвелла и Л.Больцмана применить вероятностно-статистические методы к исследованию тепловыхявлений. Г. Лоренц, А. Пуанкаре и Г. Минковский еще в конце XIX века начали развивать идеирелятивизма, подвергая критике устоявшиеся представления об абсолютномхарактере пространства и времени. Эти и другие революционные с точки зренияклассической науки идеи привели в самом начале XX века к кризису естествознания, коренной переоценкеценностей, доставшихся от классического наследия.Научная революция,ознаменовавшая переход к неклассическому этапу в истории естествознания, впервую очередь, связана с именами двух великих ученых XX века — М. Планком и А. Эйнштейном. Первый ввел в наукупредставление о квантах электромагнитного поля, второй навсегда останется вистории человечества как автор специальной и общей теории относительности.Буквально в течение первой четверти века был полностью перестроен весьфундамент естествознания, который в целом остается достаточно прочным и внастоящее время. Что же принципиально нового в понимании природы принесло ссобой неклассическое естествознание?

1.Прежде всего, следует иметь в виду, что решающие шаги в становлении новыхпредставлений были сделаны в области атомной и субатомной физики, где человекпопал в совершенно новую познавательную ситуацию. Те понятия (положение впространстве, скорость, сила, траектория движения и т.п.), которые с успехомработали при объяснении поведения макроскопических природных тел, оказалисьнеадекватными и, следовательно, непригодными для отображения явлений микромира.И причина этого заключалась в том, что исследователь непосредственно имел делоне с микрообъектами самими по себе, как он к этому привык в рамкахпредставлений классической науки, а лишь с «проекциями» микрообъектовна макроскопические «приборы». В связи с этим в теоретический аппаратестествознания были введены понятия, которые не являются наблюдаемыми вэксперименте величинами, а лишь позволяют определить вероятность того, чтосоответствующие наблюдаемые величины будут иметь те или иные значения в тех илииных ситуациях. Более того, эти ненаблюдаемые теоретические объекты (например, y — функция Шредингера в квантовоймеханике или кварки в современной теории адронов) становятся ядроместественнонаучных представлений, именно для них записываются базовыесоотношения теории.

2.Второй особенностью неклассического естествознания является преобладание жеупомянутого вероятностно-статистического подхода к природным явлениям иобъектам, что фактически означает отказ от концепции детерминизма. Переход кстатистическому описанию движения индивидуальных микрообъектов было, наверное,самым драматичным моментом в истории науки, ибо даже основоположники новойфизики так и не смогли смириться с онтологической природой такого описания(«Бог не играет в кости», — говорил А. Эйнштейн), считая его лишьвременным, промежуточным этапом естествознания.

3.Далеко за рамки естествознания вышла сформулированная Н. Бором и ставшаяосновой в неклассической физике идея дополнительности. В соответствии с этимпринципом, получение экспериментальной информации об одних физическихвеличинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации онекоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимнодополнительными величинами являются, например, координаты и импульсы,кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электромагнитного поля ичисло фотонов и т.п. Таким образом, с точки зрения неклассическогоестествознания невозможно не только однозначное, но и всеобъемлющеепредсказание поведения всех физических параметров, характеризующих динамикумикрообъектов.

4.Для неклассического естествознания характерно объединение противоположныхклассических понятий и категорий. Например, в современной науке идеинепрерывности и дискретности уже не являются взаимоисключающими, а могут бытьприменены к одному и тому же объекту, в частности, к физическому полю или кмикрочастице (корпускулярно-волновой дуализм). Другим примером может служитьотносительность одновременности: события, одновременные в одной системеотсчета, оказываются неодновременными в другой системе отсчета, движущейсяотносительно первой.

5.Произошла в неклассической науке и переоценка роли опыта и теоретическогомышления в движении к новым результатам. Прежде всего, была зафиксирована иосознана парадоксальность новых решений с точки зрения «здравогосмысла». В классической науке такого резкого расхождения науки со здравымсмыслом не было. Основным средством движения к новому знанию стало не егопостроение снизу, отталкиваясь от фактической, эмпирической стороны дела, асверху. Явное предпочтение методу математической гипотезы, усложнениематематической символики все чаще стали выступать средствами создания новыхтеоретических конструкций, связь которых с опытом оказывается не прямой и нетривиальной.

9. Стадии развитияестествознания (синкретическая, аналитическая, синтетическая, интегрально-дифференциальная)

 

1. Синкретическаястадия.

На этой стадиисформировались общие, нерасчленённые, недетализированные представления обокружающем мире как о чём-то целом, появилась так называемая натурфилософия(философия Природы), превратившаяся во всеобщее вместилище идей и догадок,ставших к XIII-XV столетиям начатками естественных наук.

2. Аналитическаястадия.

Она последовала с XV-XVI веков – мысленное расчленение и выделение частностей,приведшее к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целогоряда других, более частных, естественных наук (наряду с издавна существовавшейастрономией).

3. Синтетическаястадия.

Наступила позднее, ужеближе к нашему времени, когда постепенно стало происходить воссозданиецелостной картины Природы на основе ранее познанных частностей.

4.Интегрально-дифференциальная стадия.

Наконец, в настоящеевремя пришла пора не только обосновать принципиальную целостность(интегральность) всего естествознания, но и ответить на вопрос: почему именнофизика, химия и биология (а также психология) стали основными и как бысамостоятельными разделами науки о Природе, т.е. начинает осуществлятьсянеобходимая заключительная интегрально-дифференциальная стадия. Поэтомуестествознание как действительно единая наука о Природе рождается фактическитолько теперь. Лишь на данной заключительной стадии можно на самом делерассматривать Природу (Вселенную, Жизнь и Разум) как единый многогранный объектестествознания.

Однако все эти четырестадии исследования Природы, по существу, представляют собой звенья одной цепи.

10. Древнегреческаянатурфилософия (Аристотель, Демокрит, Пифагор и др.)

Первой в историичеловечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от лат. — natura — природа), илифилософия природы. Древнегреческая натурфилософия подразделяется на 3 периода.

1. Ионийский период (VI-Vвека до н.э.).

Господствует учение опервоначалах мира (огонь, вода, воздух, земля). Фалес Милетский (640-564до н.э.) – древнегреческий философ, считал, что первоначалом всех вещейявляется вода, и всё произошедшее от неё наделено свойствами жизни, одушевлено.Анаксимандр (640-547 до н.э.) – ученик Фалеса, представлял себепервовещество более абстрактным, более неопределенным, бесконечным, или«апейроном», породившим и воздух и воду, в которой возникла жизнь.

Перваянаучная программа древности – математическая программа Пифагора (580-500до н.э.). Помимо известной «теоремы Пифагора» на счету этого античного ученогоимеется и ряд других научных достижений. К их числу относится, например,введение понятия иррациональности. Превыше всего ставил Число. Считая, что мирсостоит из пяти элементов (земли, огня, воздуха, воды и эфира), Пифагор увязалих с пятью видами правильных многогранников с тем или иным числом граней.Пифагор заложил основы развития естествознания, опираясь на числовыезакономерности, на законы бытия.

2.Афинский период (V-IVвека до н.э.).

Авторомвторой научнойпрограммы древности – физической программы был Демокрит (ок. 460-370 до н.э.). Его атомистическое учение объяснялоцелое как сумму отдельно составляющих его идей. Основные принципы атомизмаДемокрита:

—  вся Вселеннаясостоит из мельчайших материальных частиц — атомов и незаполненногопространства — пустоты. Наличие последней является обязательным условием дляосуществления перемещения атомов в пространстве;

—  атомынеуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существуетвечно;

—  атомыпредставляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимыечастицы — последние, образно говоря, «кирпичики мироздания»;

—  атомы находятся впостоянном движении, изменяют свое положение в пространстве;

—  различаются атомыпо форме и величине;

—  все предметыматериального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка ихсочетаний.

Третьейнаучной программой древности было учение Аристотеля (384-322 до н.э.). Онпредставил мир как целое, естественно возникшее образование, имеющее причиныразвития в себе самом. В истории науки Аристотель известен также как авторкосмологического учения, которое оказало огромное влияние на миропониманиемногих последующих столетий. Космология Аристотеля — геоцентристическоевоззрение. Аристотель рассматривает Бога как разум мирового масштаба, дающийэнергию «перводвигатель».

3.Эллинистский период (330 г. до н.э. – 30 г. н.э.).

Однимиз крупнейших ученых-математиков этого периода был Евклид (III век до н.э.). В своём труде «Начала»систематизировал все математические достижения того времени. В «Началах» былизаложены основы античной математики. Созданный Евклидом метод аксиом позволилему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя. В этот период былитакже немалые достижения в области механики. Архимед (287-212 дон.э.) – первоклассный ученый, математик и механик эллинистского периода, решилряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значениечисла π (пи), ввёл понятие центра тяжести и разработал методы егоопределения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Широчайшуюизвестность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Согласно этомузакону, на всякое тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая сила,равная весу вытесненной телом жидкости, направленная вверх и приложенная кцентру тяжести вытесненного объема.

Вэтот период получили своё развитие идеи атомистики в учении Эпикура(341-270 до н.э.). Он внёс в описание атомов, сделанное Демокритом,некоторые поправки:

—  атомы не могутпревышать известной величины;

—  число форм атомовограничено;

—  атомы обладаюттяжестью и т. д.

Носамое главное в атомистическом учении Эпикура – это попытка найти какие-то внутренниеисточники жизни атомов. Он высказал мысль, что изменение направления ихдвижения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов.

11.Научные методы. Эмпирический уровень (наблюдение, измерение, эксперимент) итеоретический уровень (абстрагирование, формализация, идеализация, индукция,дедукция)

Методос – путь к достижению цели.

Научныйметод – этосовокупность приёмов и операций практического и теоретического освоениядействительности.

Научныйметод как таковой подразделяется на методы, используемые на каждом уровнеисследований. Выделяются, таким образом, эмпирические и теоретические методы.

Кметодам эмпирического уровня исследований относятся:

1) наблюдение — целенаправленное восприятие явлений объективной действительности;

2) описание — фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений обобъектах;

3) измерение — сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам;

4) эксперимент — наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяетвосстановить ход явления при повторении условий.

Кметодам теоретического уровня исследований относятся:

1) абстрагирование — отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств иотношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих нассвойств и отношений;

2) формализация — построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемыхпроцессов действительности;

3) идеализация — это мыслительное образование абстрактных объектов, не существующих и неосуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальноммире.

4) индукция — метод исследования и способ рассуждения, в котором общий вывод строится наоснове частных посылок;

5) дедукция — способ рассуждения, посредством которого из общих посылок с необходимостьюследует заключение частного характера.

12. Пространство ивремя (классическая механика И. Ньютона и теория относительности А. Эйнштейна)

 

Пространство ивремя в классической механике И. Ньютона

В 1687 г. вышелосновополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии».Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно-научнойкартины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и даноопределение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущностьвремени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя ивсего существующего. Во времени все располагается в смысле порядкапоследовательности, в пространстве — в смысле порядка положения». Онпредлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные(истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает имследующую типологическую характеристику.

—  Абсолютное,истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения кчему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

—  Относительное,кажущееся, или обыденное, времяестьили точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мерапродолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинногоматематического времени, как-то: час, день, месяц, год.

—  Абсолютноепространство посвоей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегдаодинаковым и неподвижным.

—  Относительноепространствоесть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяетсянашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденнойжизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютонаследовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительногопространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирическогоуровней их познания. На теоретическом уровне классической механики абсолютноепространство и время играли существенную роль во всей причинной структуреописания мира. Они выступали в качестве универсальной инерциальной системыотсчета, так как законы движения классической механики справедливы винерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материальногомира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойствамипознающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой.Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.

Пространство ивремя в теории относительности А. Эйнштейна

А.Эйнштейн отказался от представлений классической механики. Согласнопредставлению Эйнштейна, каждое движение тела происходит относительноопределённого тела отсчёта, поэтому все физические процессы и законы должныформулироваться по отношению к точной системе отсчёта, следовательно, несуществует никакого абсолютного пространства и времени. Он впервые связываетобособленные в классической механике понятия пространства и времени в понятиепространственно-временной непрерывности (континуум).

Теорияотносительности рассматривает наш мир как четырёхмерный, где тремя координатамиx, y, z описывают пространство, а четвёртой – t – время.

До1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена длясобытий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло делодаже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали иотталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это некасалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны ивечны.

Вобщей же теории относительности А. Эйнштейнаситуация совершенно иная.Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело илидействует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структурапространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуютсилы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит воВселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как безпредставлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной,так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространствеи времени за пределами Вселенной.

Впоследующие десятилетия новому пониманию пространства и времени предстоялопроизвести переворот в наших взглядах на Вселенную. Старое представление опочти не меняющейся Вселенной, которая, может быть, всегда существовала и будетсуществовать вечно, сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной,которая, по-видимому, возникла когда-то в прошлом и, возможно, закончит свое существованиекогда-то в будущем.

Пространство – форма бытия материи, характеризующая её протяжённость, структурность,сосуществование и взаимодействие во всех материальных системах.

Времяхарактеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любыхобъектов и процессов, внутреннюю связь сменяющихся и сохраняющихся состояний.

Общиесвойства пространства и времени:

—  объективность – т.е. существуют независимо отсознания людей и познания ими этой объективной реальности;

—  абсолютность – вытекает из признания тезиса отом, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие внепространства;

—  относительность – человеческие представления опространстве и времени относительны; из этих относительных представленийскладывается абсолютная истина;

—  бесконечность.

Общиесвойства пространства:

—  протяженность;

—  связанность инепрерывность –между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились,всегда есть третья;

—  трёхмерность – каждая точка пространстваоднозначно определяется набором трёх действительных чисел – координат;

—  единствометрических и топологических характеристик.

Общиесвойства времени:

—  длительность;

—  единствопрерывного и непрерывного — между двумя моментами времени как близко бы они не располагалисьвсегда можно выделить третий;

—  необратимость – следствие второго Началатермодинамики или Закона сохранения энтропии;

—  одномерность – любые явления, происходящие водних и тех же условиях, но в разное время, будут протекать одинаково.

13.Естественнонаучная картина мира: физическая картина мира (механическая,электромагнитная, современная – квантово-релятивистская)

Естественнонаучнаякартина мира (ЕНКМ)– это система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего насмира.

Механическаякартина мира (МКМ).

Формирование МКМпроисходило в течение нескольких столетий до середины XIX века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителейдревности: Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и др. Она явиласьнеобходимым и очень важным шагом на пути познания природы.

Имена учёных, внесшихосновной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон,П.Лаплас и др.

Основные черты механическойкартины мира:

—  все материальныетела состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом механическомдвижении. Материя – вещество, состоящее из неделимых частиц;

—  взаимодействиетел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любыерасстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственномконтакте (силы упругости, силы трения);

—  пространство –пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая«жидкость» — эфир;

—  время – простаядлительность процессов. Время абсолютно;

—  всё движениепроисходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления ипревращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов имолекул;

—  мир выглядит какколоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков.

Достоинство МКМсостоит в том, что это первая научная картина мира.

Электромагнитнаякартина мира (ЭМКМ).

В XIX веке естественные науки накопилиогромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении.Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывалисьв устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половинеXIX века на основе исследований вобласти электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира — электромагнитнаякартина мира (ЭМКМ). В её формировании сыграли решающую рольисследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем и Дж. Максвеллом,Г. Герцем. Весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который можетнаходиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состоянияэфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности,света. Материя существует в двух видах: вещество и поле.

Вещество – это вид материи, имеющейатомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массупокоя, не равную нулю.

Поле – это особый вид материи, посредствомкоторого осуществляются электромагнитные взаимодействия; представляющий собойединство электрического и магнитного полей.

1.  Материя считается непрерывной. Всезаконы природы сводятся к уравнениям Дж. Максвелла, описывающим непрерывнуюсубстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрическизаряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.

2.  На основе электромагнитныхвзаимодействий объясняются все известные механические, электрические,магнитные, химические, тепловые, оптические явления.

Современная –квантово-релятивистская (квантово-полевая) картина мира (КПКМ).

Как и все предшествующиекартины мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углублениянаших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМпродолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:

1)утверждениекорпускулярно-волновых представлений о материи;2)изменение методологии познанияи отношения к физической реальности;

Пояснение:ранее считалось, что устройство мираможно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы,т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн невключал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал еговажным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механикестановится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристикиисследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМпоявляется принцип относительности к средствам наблюдения.

Все рассмотренные ранеекартины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий какпространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия.Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.

Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось,что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Дляхарактеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты(x,y,z), а для обозначения времени независимо от нихвводилась одна временная координатаt. В СТО и ЭМКМ они потерялиабсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время какабсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временногоконтинуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервалстал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчетак другой.

Причинность. В МКМ при описании объектовиспользуется два класса понятий: пространственно-временные, которые даюткинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые даютдинамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствиисоотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг отдруга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время ипричинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.

Независимостьпространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точнойлокализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначнойпричинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном,точном измерении координат и скорости, энергии и времени.

В квантовой механикеотносительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенностикоординат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движениямикрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялосьповедение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждойчастицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическимзаконам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеетвероятностный характер (вероятностная причинность).


14. Структурные уровниорганизации материи (микро-, макро- и мегамир)

В физикена основе пространственно-временных характеристик выделяют 3 уровняорганизации материи.

Микромир — мир предельно малых,непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерностькоторых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни —от 10-24 секунд до бесконечности. Сюдаотносятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир макрообъектов, размерностькоторых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величинывыражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах,минутах, часах, годах. В практической действительностимакромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатныхсостояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е.макротелами.

Мегамир — мир объектов космических масштабови скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а времясуществования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупныематериальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

И хотяна этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- имегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

Структурамикромира.

На рубеже XIX—XX вв. вестественнонаучной картине мира произошли радикальные изменения, вызванныеновейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ееосновополагающие идеи и установки. В результате научных открытий былиопровергнуты традиционные представления классической физики об атомнойструктуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статусаструктурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформациюклассических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

1) выявитьсуществование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

2) подтвердитьпредставление об относительности истины, являющейся только ступенькой на путипознания фундаментальных свойств природы;

3) доказать, чтоматерия состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечногомногообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Структурамакромира.

Каждый структурныйуровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этоммежду этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образомсвязаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существуетотдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты имегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объектымакромира.

Центральным понятиеммакромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейсяфизикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи,обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которыеобладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой,теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- иэлектропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменятьсяв широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того жевещества в зависимости от внешних условий.

Структура мегамира.

Основными структурнымиэлементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы,образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

15. Вещество и поле.Корпускулярно-волновой дуализм

 

Вещество – это вид материи, имеющейатомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массупокоя, не равную нулю.

Вселенная представляетсобой самую крупную вещественную систему, т. е. систему объектов, состоящих извещества. В современном представлении различают три взаимосвязанных формыматерии: вещество, поле и физический вакуум. Вещество состоит из дискретныхчастиц, проявляющих волновые свойства. Для микрочастиц характерна двойственнаякорпускулярно-волновая природа. Свойства физического вакуума пока познанынамного хуже многих вещественных систем и структур. Физический вакуум обнаруживаетсяпри взаимодействии с веществом на его глубинных уровнях. Предполагается, чтовакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может бытьизолирована от его присутствия и влияния. В соответствии с концепциейсамоорганизации физический вакуум выступает в роли внешней среды для Вселенной.

У вещества есть четыреагрегатных состояния:

—  твердое;

—  жидкое;

—  газообразное;

—  плазма.

Поле – особое состояние среды, в каждойточке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества икоторые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле являетсяматериальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

Корпускулярно-волновойдуализм — этотеория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело,атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшиечастицы (корпускулы), и как волны.

В истории развития ученияо свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р.Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическуюволну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом сталипонимать электромагнитную волну.

В начале 20-го века наоснове экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает какволновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что впроявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чемменьше длина волны (т.е. чем больше частота), тем сильнее проявляютсякорпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу:корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. и все частицывещества, имеющие массу m и импульс p, обладают волновыми свойствами. Так вфизике появилась знаменитая формула де Бройля: λ=h/ (mv), где m – массачастицы, v – ее скорость, h – постоянная Планка.

В настоящее времяволновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, вэлектронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видетьмолекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106раз).

При проявлении умикрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют какпотенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти вдействительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойствматерии).

По современнымпредставлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и другоеодновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой суммесвойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас вязыке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения омикрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия егос прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится вклассических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

16. Элементарныечастицы: классификация и характеристика

Термин «элементарнаячастица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимыечастицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физикиосознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам.Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, нотем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд,среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массупокоя элементарныхчастиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарныечастицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этомупризнаку делятся на: лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны— средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы— тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в составкоторых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрическийзаряд являетсядругой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицыобладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице,кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположнымзарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу осуществовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.

Повремени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильныхчастиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именностабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальныечастицы нестабильны, они существуют около 10-10 — 10-24,после чего распадаются.

Помимозаряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются такжепонятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», илисобственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовыечисла», выражающим состояние элементарных частиц.

Согласносовременным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы(названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

Кфермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны,векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинноэлементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируютсякакусловно элементарные, т.е. составные частицы, образованные изкварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоныпереносятвзаимодействие.

Достиженияв области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитиюконцепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарныхчастиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц.Шесть частиц — этокварки с экзотическими названиями: «верхний»,«нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальныешесть —лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино(электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.

В первомпоколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Вовтором поколении — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

Втретьем поколении — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своимнейтрино.

Обычноевещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается,что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженныхчастиц.

Наоснове кварковой модели физики разработали простое и изящное решениепроблемы строения атомов.

Каждыйатом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов инейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковомуномеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева.Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массыэлектрона, размеры порядка 10-13 см. Электрический заряд нейтронаравен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних»кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних»кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминаютоблако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальныхчастиц.

Остаютсяеще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли ониосновными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на этивопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследованиерождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерногосинтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

17. Понятиевзаимодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия

 

Под взаимодействиемв более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых междувзаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантамиопределенных полей, энергией, а иногда и информацией.

В настоящее время принятосчитать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены кограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному,электромагнитному, слабому и гравитационному. Интенсивность взаимодействияпринято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия,которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятностьпроцессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значенийконстант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Концепции дальнодействияи близкодействия.

Близкодействие идальнодействие—этовзаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальныхструктур. По концепции близкодействия любое взаимодействие наматериальные объекты может быть передано только между соседними точкамипространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускаетдействие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вневремени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкоераспространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силыдальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближеннымприемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемыхявлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкойконцепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описываютсостояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее отсостояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитноеполе может существовать независимо от материального носителя, то электрическоевзаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтомудальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимсяв пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке,взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля сконечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

18. Характеристикаосновных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное ислабое)

 

1.Гравитационноевзаимодействиеявляется универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всехвзаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличиидостаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также неограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих поростается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица-гравитон- пока не обнаружена.

/> (И. Ньютон) – самое слабоевзаимодействие.

 

2.Электромагнитноевзаимодействие:константа порядка 10-2, радиус взаимодействия не ограничен, времявзаимодействия t ~ 10-20с. Оно реализуется между всеми заряженнымичастицами. Частица-переносчик – фотон (γ-квант).

/> (Кулон).

 

3. Слабое взаимодействие связаносо всеми видами β-распада, им обусловлены многие распады элементарныхчастиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка10-13, t ~ 10-10с. Это взаимодействие, как и сильное,является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18м.Частицы-переносчики – промежуточный векторный бозон: W+, W-, Z0. (Ферми).

4. Сильное взаимодействиеобеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1,радиус действия порядка 10-15м, время протекания t ~10-23с.Сильное взаимодействие осуществляется между кварками – частицами, из которыхсостоят протоны и нейтроны – cпомощью т.н. глюонов. (Юкава).

19. Основы квантовоймеханики: открытия М. Планка, Н. Бора, Э. Резерфорда, В. Паули, Э. Шрёдингера идр.

 

Квантовая теория родиласьв 1901 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод осоотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод,который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники,Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этомсчитал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения)существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвалквантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотявыведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущенияоставались непонятными некоторое время, так как противоречили классическойфизике. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовалсяквантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта– испускания электронов поверхностью металла, на которую падаетультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет,о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяетсякак непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретныесвойства.

Примерно через восемь летНильс Бор распространил квантовую теорию на атом иобъяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или вэлектрическом разряде. Эрнест Резерфорд показал,что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущемположительный электрический заряд и окруженном на сравнительно большихрасстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом вцелом электрически нейтрален.

Бор предположил, чтоэлектроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах,соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона содной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона,энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка,пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установиласвязь между различными линиями спектров, характерными для испускающегоизлучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех,модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться отрасхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на тойстадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач.Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, чтодвижущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излученииэлектромагнитных волн.

Новая существеннаяособенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи деБройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характерематерии: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя какчастицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенныхобстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, в микромирестёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. Вформулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией,как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическоевыражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы иеё скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментальнодоказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х.Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсономв Англии.

В свою очередь этооткрытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом Рускойэлектронного микроскопа.

Под впечатлением откомментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шрёдингерпредпринял попытку применить волновое описание электронов к построениюпоследовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атомаБора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию склассической физикой, которая накопила немало примеров математического описанияволн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скоростиэлектронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требоваловключения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учетапредсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень большихскоростях.

Одной из причин постигшейШрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойстваэлектрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокругсобственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно),о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринялв 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, чтонеобходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Втораяпопытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающегоматематическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвалсвою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились всогласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние напоследующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежитв основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениямГамильтона в классической механике.

Незадолго до того ВернерГейзенберг, Макс Борн и ПаскуальИордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получившийназвание матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощьютаблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образомупорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми поизвестным правилам можно производить различные математические операции.Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемымиэкспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержаланикаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенбергособенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений илимоделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены изэксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иноеустройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной вмире больших величин.

Шрёдингер показал, чтоволновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известныеныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданнуюобщую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтениеволновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, аеё понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – болеегромоздкими.

Вскоре после того, какГейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Диракпредложил более общую теорию, в которой элементы специальной теорииотносительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Диракаприменимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитныесвойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни былодополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказываласуществование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частицс противоположными по знаку электрическими зарядами.

20. Динамические истатистические законы. Принципы современной физики (симметрии, соответствия,дополнительности и соотношения неопределённостей, суперпозиции)

 

Динамические истатистические законы

Все физические законыделятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающиеобъективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическаятеория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы,когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы.Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что встатистических теориях состояние определяется не значениями физических величин,а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главнаязадача статистических теорий. Вероятностные характеристикисостояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях.Статистические законы и теории являются болеесовершенной формой описания физических закономерностей, так как любойизвестный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическимизаконами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описаниясостояния системы.

Смена динамических теорийстатистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив.Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. Приразговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубокихфизических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений,описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменойфизических представлений расширяется область применения теории. Статистическиетеории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическимтеориям.

Принципсимметрии

Принцип симметрии вфизике – это свойство физических величин, детально описывающих поведениесистем, оставаться неизменными (инвариантными) при определённыхпреобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Принципы симметриисвязаны с законами сохранения. Виды симметрии:

1.Пространственно-временные (внешние) принципы симметрии.

1.1. Сдвиг времени, т.е.все моменты времени равноправны, т.е. любой можно взять за начало отсчётавремени, т.е. время однородно.

2. Внутренние принципысимметрии.

Описывают свойстваэлементарных частиц. Отсюда вытекает закон сохранения энергии.

2.1. Сдвиг системыотсчёта, т.е. равноправие всех точек пространства, отсюда вытекает законсохранения импульса.

2.3. Поворот системыотсчёта, т.е. свойства пространства одинаковы по всем направлениям(пространство изотропно), отсюда вытекает закон сохранения момента импульса.

Также имеет место целыйряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают различные аспектывзаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законовсохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и лептонногозарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в.подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.

Принцип соответствия

Принцип соответствия былсформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с ситуацией, чторядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикойНьютона), появились новые теории (теория относительности Эйнштейна),описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждаетпреемственность физических теорий, в частности, то, что никакая новая теория неможет быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случаястарую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория ужеоправдала себя в своей области.

Поэтому теории,справедливость которых была экспериментально установлена для определеннойгруппы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют своезначение для прежней области явлений как предельное выражение законов новыхтеорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходятв выводы старых теорий.

Каждая физическая теориякак ступень познания является относительной истиной. Смена физических теорий —это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогдаполностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего насмира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценностьфизических теорий.

Принцип дополнительностии соотношения неопределённостей

Принцип дополнительностиявляется основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г.Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.

Прежде всего, Бор обратилвнимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя, и,конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят изогромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическимисистемами, ничем иным они быть не могут. Сам человек — существомакроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов.Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающегомира, — это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любыефизические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятиядля описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессаммикромира.

Но других понятий у наснет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашеговосприятия и представлений об объектах микромира, нам приходится применять двадополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической наукиони взаимно исключают друг друга, — это понятия частицы и волны. Только всовокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях. Частнымвыражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей,сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрируетотличие квантовой теории от классической механики. Если в классической механикемы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергиючастицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. Всоответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тембольшая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот.Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратнопропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого — вовзаимодействии прибора с объектом измерения.

Принципсуперпозиции

Принцип суперпозиции(наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляетсобой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности.Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правилопараллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующиена тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления невлияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике он неуниверсален и вомногих случаях справедлив лишь приближенно. В микромире, наоборот, принципсуперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципомнеопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.Но, к сожалению, в квантовой теории принцип суперпозиции лишен той наглядности,которая характерна для механики Ньютона. Его интерпретируют так: пока непроведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находитсяфизическая система. Иными словами, до измерения система находится всуперпозиции двух возможных состояний, т.е. ее состояние неопределенно. Актизмерения переводит физическую систему скачком в одно из возможных состояний.


21. Космологическиемодели Вселенной (от геоцентризма, гелиоцентризма к модели Большого взрыва ирасширяющейся Вселенной)

 

Космология(космогония) –область науки, изучающая происхождение и развитие вселенной.

1. Геоцентризм.

Космология Аристотеля —геоцентрическая система мира: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает вцентре Вселенной.

2. Гелиоцентризм.

Николай Коперник (перваянаучная революция) стал автором гелиоцентрического учения, согласно которомуцентром Вселенной является Солнце, вокруг которого по своим орбитам движутсяпланеты, в том числе и Земля. Совершая обращение вокруг Солнца, Земляодновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня иночи.

3. Теориястационарного состояния Вселенной.

Основные постулаты:

•        Вселенная — этовсе существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким онсуществует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

•        Пространство ивремя Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

•        Пространство ивремя метрически бесконечны.

•        Пространство ивремя однородны и изотропны.

•        Вселеннаястационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космическиесистемы, но не мир в целом.

4. Релятивистскаямодель Вселенной.

Новая модель Вселеннойбыла создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теориятяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатовабсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принципстационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности впространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяютсяраспределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этомзамкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно иизотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материяраспределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет насвойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод,что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следуетпредставлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическоепространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядномупредставлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространстваконечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числомквадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражаетсяконечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и вэтом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мыв конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая поповерхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться влюбом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична,хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетовЭйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такойВселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числомкубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь всевремя в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земнымкругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же времябезгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейнасодержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, апоэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то жевремя призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. ТакаяВселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени.Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотряна новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теорииориентировался на привычную классическую мировоззренческую установкустатичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мирпротиворечивый и неустойчивый.

5. Модель Большоговзрыва.

Представление о развитииВселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения)Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколькокосмологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи воВселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Извсей совокупности современных космологических теорий только теория Большоговзрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почтивсе факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрывасохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, илитеорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом иП. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийсяамериканский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, чтофизическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшегопримерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселеннойбыли сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если веритьматематическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсеравен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояниеназывается сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известныезаконы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смыслпонятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находиласьэта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появлениятакого состояния.

Тем не менее, согласнопринципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку,поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определеннуюплотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемойВселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскопразглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать опричинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодняпоявились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат воснове инфляционной модели развития Вселенной.

6. Модельрасширяющейся Вселенной.

Модель ВселеннойЭйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общейтеории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяетвзаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядромсовременной космологии выступает теория тяготения — общая теорияотносительности.

В 1922 г., советскийфизик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что ВселеннаяЭйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался насформулированный им космологический принцип, который строится на двухпредположениях: об изотропности и однородности Вселенной. ИзотропностьВселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковостьВселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается какодинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из нихи везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основекосмологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие,нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либосжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. обувеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийсямыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывноувеличиваются.

Первоначально модельрасширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирическогоподтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект«красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концуспектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера — изменениечастоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя поотношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствиеудаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием.Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляетпримерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своихнаблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, чтонаша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик,разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел квыводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются.

 

22. Внутреннеестроение Земли. Геологическая шкала времени

 

Строение Земли

Все земные оболочкивзаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует влитосфере и атмосфере, атмосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой,гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того,во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли

Ядро занимает центральнуюобласть нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляетоколо 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей —большого внешнего и малого внутреннего ядер.

Внутреннее ядро. Природа внутреннего ядра Землиначиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который,как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующийсплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавленияпорядка 4500° С.

Внешнее ядро. Судя погеофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленноежелезо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слоеменьше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее — жидким, температура вцентре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.

С жидким состояниемвнешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитноеполе Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов.Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80млн. лет имело место не только изменение напряженности поля, но и многократноесистематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южныймагнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступалимоменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизмне может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченностиядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создаетсяпроцессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора(подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра,перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбужденияобразуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия

МантияЗемли, расположеннаяот подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Веществомантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всеймантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещениялитосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земливысокотемпературных (ок. 1300 С) лав — мантийного вещества.

Литосфераи астеносфера

Ближайшиек поверхности Земли слои мантии — это лито — и астеносфера. Литосферасостоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное времясохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитамивещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.

Деформируемостьастеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещениялитосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская,Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская иАнтарктическая, составляют единицы сантиметров (ок. 3 см) в год, однако замиллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь,литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и приходят во вращение.Существуют весьма тщательно разработанные глобальные кинематические моделисовременного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина)литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

Гидросфера

Гидросферасостоит из водокеанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а такжеводы, содержащейся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая частьгидросферы (ок. 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды сушиприходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли(21,73 • 1020 кг). Средняя глубина океанов 3711 м, а наибольшая11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температураповерхности вод океанов 17,5 °С. Мировой океан занимает 70,8% земнойповерхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицыМенделеева, преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%).

Земная кора

Внешняя оболочка Земли,толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется засчет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород иосадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов — породвулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен.Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород,содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз ислюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры.Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Землии достигает 16—17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются»вследствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепадывысот в таких древних горных поясах, как, например, Уральские горы, непревышают 2 км.

Атмосфера

Газовая(воздушная) оболочка Земли, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосферавращается вместе с Землёй. У поверхности Земли современная атмосфера состоит восновном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотойубывают. В высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмына Земле от вредного для них коротковолнового излучения.

Ватмосфере часто выделяют пять слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины16—18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км, уверхней границы температура 80-90 С), ионосфера (расположена до высоты 800 кмоказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера(простирается от ионосферы до 2000—3000 км, эффективная температура порядка2000 °С).

Магнитосфера

Магнитосфера Земли простирается на десятки и дажесотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействиеммагнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических,частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиесяпо ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северногополушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищаютживые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническаядеятельность человечества разрушает не только озоновый слой, но и магнитныеловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни.Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьманедалеком.

Геологическаяшкала времени

Интервалыгеологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящеговремени).

Эон Эра Период Эпоха Время Фанерозойский Кайнозойская Четвертичный Голоценовая 0,01 Плейстоценовая 1,6 Третичный Плиоценовая 5,3 Миоценовая 23,7 Олигоценовая 36,6 Эоценовая 57,8 Палеоценовая 66,4 Мезозойская Меловой 144 Юрский 208 Триасовый 245 Палеозойская Пермский 286 Каменноугольный 360 Девонский 408 Силурийский 438 Ордовикский 505 Кембрийский 570 Протерозойский 2500 Архейский 3400+

В названиях эонов и эрприсутствует корень «зой» (от греч. zoe — жизнь), сопровождаемый приставками кнему фанеро — (от греч. phaneros — явный), протеро (от греч. proteros — болееранний, первый из двух), кайно (от греч. kainos — новый), мезо (от греч. mesos— средний), палео (от греч. palaios — древний). В названиях геологических эпохприсутствует корень «цен». Приставки к корню «цен» характеризуют степень наличиятак называемых новых (современных) организмов. Так, выражения «голоцен» и«миоцен» означают соответственно «все новые организмы» (от греч. holos — весь)и «среднее количество новых организмов» (от греч. mios — средний). В названияхгеологических периодов от ранней их классификации сохранились только двавыражения: третичный и четвертичный (термины первичный и вторичный периодыбольше не используются). Часть названий геологических периодов связаны либо сместностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский периодхарактеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир вАнглии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологическихотложений, содержащих много мела.

23. История развитияконцепций геосферных оболочек Земли. Экологические функции литосферы

Рассмотрим в светенеклассической концепции глобальной эволюции Земли истории основных геосферныхоболочек.

Историяядра Земли.Формирование ядра Земли началосьпримерно 4,6 • 109 лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделеотсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности).Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период3—2,6 • 109 лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массыземного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядраувеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо»покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в неймагнетит (Fе3O4) распадается: 2Fе3O4 => 3FеО + 5O, приэтом FеО переходит во внешнее ядро Земли.Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию как ее мантии,так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь отСолнца — перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождатьсягигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.

Из всехгеосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет какраз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станеткосмическим путешественником, который либо под действием излучения будетмедленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.

Историямантии Земли. По своему вещественному составу мантия планетынаиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в нейпроцессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: напротяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественногообеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты — в ее ядро. Легкиеэлементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностьюисчезли FeS, Fе, Ni, посравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкимивеществами (К2O, Na2O, N2, Н2 и др.). Вместе с темпроисходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту впроцентном содержании окислов кремния (SiO2) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии(против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современнаямантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловаяэнергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Землинеминуемо приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферноесостояние. Переход Солнца в состояние белого карлика, видимо, будет связан сиспарением значительной части литосферы, которая к тому времени будетсоставлять в фазовом отношении единое целое с затвердевшей мантией планеты.

Историялитосферы.Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частичнорасплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом».Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солейкремниевых кислот, содержащих SiO4,формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формированиеначалось 4-3,5 млрд. лет тому назад. Около 2 млрд. лет ушло на формированиесуперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит краскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современнаяистория литосферы связана, прежде всего, с тектоникой океанических плит. Прираздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и,охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способнанадвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуютсяскладчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясьмантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другиммантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклытектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет ихзамедление вплоть до полной остановки.

Историягидросферы.Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазацииЗемли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийнымирасплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (какизвестно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучиевещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления вмантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потокимагмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-запоглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубинаокеана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водойсерпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. летназад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современногоокеана).

Наибольшийприток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантииЗемли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет местои в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектоническойактивности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубокихокеанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочнымипородами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь виднысрединноокеанические хребты. Превращение Солнца в белый карлик приведет через 5млрд. лет к такому могучему потоку излучения, что он испарит весь Мировойокеан. Возникшему однажды, ему не суждено существовать вечно.

Историяатмосферы.Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферысвязана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы.Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7—4 млрд. летназад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайнеразряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений,которые распространены в космосе, т.е. Н2, Не, N2, СН4, NH3, Н2O, СO2, СО. Рождение плотной атмосферыоказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали наЗемлю в связанном состоянии: вода — с гидросиликатами, азот — с нитридами инитратами, углекислый газ — с карбонатами и т.д. Подлинным динамическимисточником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд.лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей восновном из азота (N2) и углекислого газа (СO2) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Землисвязана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород.

Экологическиефункции литосферы

Обычновыделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную,геодинамическую, физическую и химическую.

Ресурснаяфункция литосферыопределяет роль ресурсов, содержащихся в литосфере, а также факторовпространственного характера для жизни биоты и человека. Известно, что литосферасодержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активноиспользуются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурснаянапряженность, которая не убывает, а нарастает год от года.

Весьматревожная ситуация сложилась с энергетическими ресурсами. Согласно популярнымоценкам, газ и нефть перспективны не более чем на 50 лет, уголь приблизительнона 150 лет. До настоящего времени нет четких представлений о тех энергетическихресурсах, которые человечество намерено использовать, допустим, через 50 лет.Атомная энергетика опасна, трудноразрешимой представляется проблема реактивацииотходов ядерной промышленности: во всей литосфере пока не обнаружено такогоукромного местечка, где можно было бы спрятать радиоактивные вещества вбезопасном для биоты состоянии. Не разработаны пути использования вудовлетворяющем человечество количестве солнечной и ветряной энергии (дляразмещения солнечных батарей и ветряных электростанций требуется много места, акоэффициент полезного действия их все ещё недостаточно высок).

Крайнююозабоченность вызывает ситуация с запасами полиметаллических руд, содержащихникель, кобальт, вольфрам, молибден, медь, свинец, цинк, олово. Считается, чтоони будут исчерпаны в ближайшие 60 лет; лишь несколько лучше обстоят дела сжелезными, марганцевыми и хромовыми рудами.

Человечествопока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большимтрудом осознается, что объектом экологической заботы является такой грандиозныйэкологический объект, как литосфера.

Человечествостало мощной литосферной силой и рельефообразующим фактором. К увеличениюсейсмичности приводит интенсивная добыча газа и нефти, закачка воды глубоко подземлю, рытье карьеров и котлованов, заполнение водой котловин; оседают плотиныэлектростанций, крупные города типа Токио и Москвы. Глубина депрессийповерхности Земли достигает сотен километров. Человечеству становится тесно наповерхности планеты, а потому оно обращается к подземному геологическомупространству. В этой связи требуется очень точная геоэкологическая оценка.

Геодинамическаяфункция литосферысвязана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими нажизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горныхмассивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасныхв сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов. Важнейшеезначение приобретает в этой связи прогноз развития катастрофическихгеологических процессов, эколого-геологическое обоснование возможной инженернойзащиты территорий и осуществление этой защиты.

Геохимическаяфункция литосферыкасается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляютопасность для биоты, в том числе человека. Речь идет прежде всего о химическомзагрязнении, привнесении в литосферу различных токсикатов (тяжелых металлов,пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладаютканцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химическиевещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными изнедр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и в глубьнее уже в виде, представляющем большую опасность для человека. Таковы,например, тяжелые металлы — свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий идр. Основными же источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятияи атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают ватмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли.

Геофизическаяфункциялитосферы реализуется посредством физических факторов, радиации, шумовых итепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественныйрадиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не являетсявредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фонпревышает нормальный в 100 и даже 1000 раз.

*Биота– этоисторически сложившаяся совокупность живых организмов, обитающая на какой-либокрупной территории.

 

24.Система современной химии. Двуединая проблема химии. Уровни химических знаний(учение о составе химических веществ, учение о структуре химических соединений,учение о химических процессах, эволюционная химия)

 

Химия – это наука о химических элементах иих соединениях.

Основаниемхимии, по Менделееву, выступает основная двуединая проблемаполучение веществ сзаданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельностьчеловека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализациюэтой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Основнаядвуединая проблема химии является системообразующим началом данной науки. Онавозникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни.Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному,так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культурыобщества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания.Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло икерамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенноиначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшейособенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыреспособа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращенийвеществ — их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, откаких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:

1) отэлементного и молекулярного состава вещества;

2) отструктуры молекул вещества;

3) оттермодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов,воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых веществонаходится в процессе химической реакции;

4) отвысоты химической организации вещества.

Посколькуспособы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то вистории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа.В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химиисвязана собственная концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальныхсистемы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химииони являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистемуестествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить нагляднов виде схемы:




1. Учение о составе вещества

1660 г. 2. Структурная химия 1800 г. 3. Учение о химических процессах 1950 г. 4. Эволюционная химия 1970-е – н.в.

Основнойпроизводственной задачей химии является получение вещества с заданнымисвойствами. Это осуществляется:

—  на первом уровне,с учётом изменения состава;

—  на втором уровне,с учётом изменения состава и структуры;

—  на третьемуровне, с учётом условий, при которых протекает химический процесс, а такжесостава и структуры;

—  на четвёртомуровне, с учётом самоорганизации реакторной системы.

25.Основные законы химии. Химические процессы и реакционная способность веществ

 

Основныезаконы химии

Химическиепроцессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массывещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для химиизаконов, которыми управляются все химические реакции.

Законсохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье(1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химиитем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности,взвешивание.

Законсохранения массы в химических процессах можно сформулировать так:

массавеществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся врезультате реакции.

Законсохранения массы веществ М.В. Ломоносов связывал с законом сохранения энергии.Он рассматривал эти законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современнойнаукой. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где однаформа энергии переходит в другую.

Законсохранения энергии:

количествотепловой энергии, принесённой в зону взаимодействия веществ равно количествуэнергии, вынесенной веществами из этой зоны.

Кспецифическим законам химии относятся такие законы, как законпостоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон постоянныхвесовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), закон простыхобъемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люссак, 1808 г.) и вкачестве его развития — закон А. Авогадро (1811 г.).Данными законами руководствуются ученые-химики и практики для проведенияхимических расчетов.

Атомно-молекулярноеучение.

Молекула – это наименьшая частица данноговещества. Атом – это наименьшая частица химического элемента.

Врезультате химической реакции молекула изменяется, а атом – нет.

Периодическийзакон Д.И. Менделеева (1869 г.):

Свойствапростых тел, а также форма и свойства соединения элементов находятся впериодической зависимости от атомных весов элементов (от заряда ядер ихатомов).

Химическиепроцессы и реакционная способность веществ

Числоизвестных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них,например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горениебензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионныедоли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важнознать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость ихскорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов ипримесей.

Изучениемскорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическаякинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление отом, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редконепосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакцияпроходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются ирасходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может бытьочень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизнипромежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другиесуществуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протеканияхимических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее,чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

Наскорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшогоколичества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают.Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными,ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическоеускорение химической реакции называется катализом и является приемомсовременной химической технологии (производство полимерных материалов,синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитическихпроцессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализусущественно повысилась эффективность экономики химической промышленности,поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержекпроизводства.


26.Биология в современном естествознании. Характеристика «образов» биологии(традиционная, физико-химическая, эволюционная)

 

Биология — это наука о живом, его строении,формах его активности, его строении, сообществах живых организмов, ихраспространении развитии, связях между собой и средой обитания.

Современнаябиологическая наука — результат длительного процесса развития. Но только впервых древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмыболее тщательно, составлять перечни, животных и растений, населяющих разныерегионы и классифицировать их. Одним из первых биологов древности былАристотель.

Внастоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живойприроде. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.

Пообъектам исследованиябиология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию иантропологию.

Посвойствам проявления живого в биологии выделяются:

1) морфология — наука о строении живых организмов;

2) физиология — наука о функционировании организмов;

3) молекулярнаябиология изучает микроструктуру живых тканей и клеток;

4) экологиярассматривает образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающейсредой;

5) генетикаисследует законы наследственности и изменчивости.

Поуровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

1) анатомияизучает макроскопическое строение животных;

2) гистологияизучает строение тканей;

3) цитологияисследует строение живых клеток.

Этамногоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайныммногообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описаноболее 1 млн. видов животных, около 500 тыс. растений, несколько сот тысяч видовгрибов, более 3 тыс. видов бактерий.

Причеммир живой природы исследован далеко не полностью Число неописанных видовоценивается по меньшей мере в 1 млн.

Исходнойи главной категорией в биологии является категория «живого».

Вразвитии биологии выделяют три основных этапа:

1) систематики(К. Линней);

2) эволюционный(Ч. Дарвин);

3) биологиимикромира (Г. Мендель).

Каждыйиз них связан с изменением представлений о мире живого и самих основбиологического мышления.

Три«образа» биологии

1. Традиционная,или натуралистская биология

Объектомизучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ееестественном состоянии и нерасчлененной целостности.

Традиционнаябиология имеет ранние истоки своего зарождения. Они идут к средним векам, астановление ее в самостоятельную науку, получившую название «натуралистскаябиология», приходится на XVIII-XIX века.

Еёметодом стало тщательное наблюдение и описание явлений природы, главной задачей- их классифицирование, а реальной перспективой — установление закономерностейих существования, смысла и значения для природы в целом.

Первыйэтап натуралистской биологии ознаменовался первыми классификациями животных ирастений. Были предложены принципы их группирования в таксоны различныхуровней. С именем К.Линнея связано введение бинарной (обозначение рода и вида)номенклатуры, почти в неизменном виде дошедшей до наших дней, а также принципиерархического соподчинения таксонов и их наименования — классы, отряды, роды,виды, разновидности. Однако недостатком искусственной системы Линнея было то,что он не дал никаких указаний относительно критериев родства, чем и снизилдостоинство этой системы.

Более«естественными», т.е. отражающими родственные связи, были системы, созданныеботаниками — А.Л. Жюссье (1748-1836), О.П. Декандолем (1778-1841) и, вособенности, Ж.Б. Ламарком (1744-1829).

ТрудЛамарка был построен на идее развития от простого к сложному, и главнымвопросом был вопрос о происхождении отдельных групп и родственных связях междуними. Следует отметить, что в период становления традиционной биологиизакладывался комплексный, как мы сегодня говорим, системный подход кисследованию природы.

2. Физико-химическая,или экспериментальная биология

Термин«физико-химическая биология» был введен в 1970-е годы химиком-органиком Ю.А.Овчинниковым — сторонником тесной интеграции естественных наук и внедрения вбиологию современных точных физико-химических методов в целях изученияэлементарных уровней организации живой материи — молекулярного инадмолекулярного.

Понятие«физико-химическая биология» является двуплановым.

С однойстороны, понятие это означает, что предметом изучения физико-химическойбиологии являются объекты живой природы, исследуемые на молекулярном инадмолекулярном уровнях.

Сдругой, сохраняется и первоначальное его значение: использованиефизико-химических методов для расшифровки структур и функций живой природы навсех уровнях ее организации. Хотя различение это и достаточно условно, главнымсчитают следующее: физико-химическая биология в наибольшей степенисодействовала сближению биологии с точными физико-химическими науками истановлению естествознания как единой науки о природе.

Это неозначает, что биология утратила свою индивидуальность. Как раз наоборот.Изучение структуры, функций и саморепродукции фундаментальных молекулярныхструктур живой материи, результаты которого получили отражение в видепостулатов или аксиом не лишило биологию ее особого положения в системеестествознания. Причина этого в том, что эти молекулярные структуры выполняютбиологические функции.

Следуетотметить, что ни в какой другой области естествознания, как в биологии, необнаруживается столь глубокая связь между методами и техникой эксперимента, содной стороны, и появлением новых идей, гипотез, концепций, с другой. Прирассмотрении истории методов физико-химической биологии можно выделить пятьэтапов, которые находятся между собой как в исторической, так и в логическойпоследовательности. Иными словами, нововведения на одном этапе неизменностимулировали переход к следующему.

Какие жеэто методы?

1)МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ.

Мечениеатомов, вводимых в организм, позволяет точно прослеживать передвижение ипревращение веществ в организме. Это дало возможность установить динамичностьпроцессов обмена веществ, выявить роль отдельных структур организма впротекании этих процессов. Так был открыт, например, механизм ферментативногобиосинтеза белка и нуклеиновых кислот, промежуточный обмен углеводов и жиров ит.д.

2)МЕТОДЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Второйэтап в истории методов физико-химической биологии можно связать с началомиспользования рентгеноструктурного анализа (рентгеновских лучей) и электронногомикроскопирования, позволяющих исследовать крупные молекулярные компоненты исубмикроскопические структуры клетки. С помощью этих методов английскимиисследователями во главе с У. Астбюри (1930-1950-е годы) была установленадвойная спираль строения молекулы ДНК, нитевая структура белков.

3)МЕТОДЫ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ

Третийэтап в истории физико-химических методов связан с применением методовфракционирования. Это, прежде всего, методы фракционирования различныхбиополимеров. В конце 1930-х годов А. Тизелиус разработал методфракционирования (разделения) белков с помощью электрофореза. Суть этого методав дальнейшем была использована в различных типах хроматографии — адсорбционной,распределительной, осадочной.

Недостаткомэтих методов было то, что объектом изучения являлся не целостный организм, афрагменты различных уровней его организации.

4)МЕТОДЫ ПРИЖИЗНЕННОГО АНАЛИЗА

Четвертыйэтап в истории методов связан с применением методов прижизненного анализа.

Кнастоящему времени определился комплекс методов прижизненного анализаструктурных и функциональных характеристик организма. К их числу можно отнестиметоды:

1)микроспектрального и микрофлуорометрического анализов (флуоресценция — испусканиеранее поглощенной энергии в виде света);

2)приема оптического сканирования (глубокое проникновение света). Это такназываемая оптическая биохимия.

3)радиоспектроскопии;

4)скоростного рентгеноструктурного анализа;

5)анализа структур с помощью ультразвука (УЗИ);

6)электронного микроскопирования.

Этиметоды используются не только в физико-химической биологии, но и в медицинскойпрактике.

5)ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭВМ

Пятыйэтап в истории методов физико-химической биологии можно представить как широчайшеевнедрение электронно-вычислительной техники (ЭВМ) в практику биологическогоэксперимента.

ЭВМ, содной стороны, позволяет расшифровывать глубинные структуры и их изменения,которые не выявляют описанные выше методы, а с другой стороны, помогаютобрабатывать огромное количество полученной информации.

Современнаяфизико-химическая биология объединила в единый комплекс биологическиедисциплины, которые ранее по объективному признаку считались самостоятельными.Иначе говоря, традиционное разделение биологии на науки о строении — цитологию,гистологию, анатомию, морфологию — и науки; исследующие физиолого-биохимическиепроцессы — физиологию и биохимию — в значительной мере утратило свойпервоначальный смысл.

3. Эволюционнаябиология

Предметомее является изучение истории развития как отдельного организма, т.е. егоонтогенез, так и органического мира в целом или отдельных его таксонов, т.е.филогенез.

Концепцияразвития для биологии получила фундаментальное значение, поскольку именно дляживой природы развитие во времени — неотъемлемое и наиболее характерноесвойство.

В итогесформировалась достаточно самостоятельная область знания эволюционная биология.Понятие «эволюционной биологии» намного шире, чем понятие «теория естественногоотбора» и понятия «эволюционное учение»! Многоплановый облик эволюционнойбиологии сложился в результате интеграции двух потоков знания.

Во-первых, в итоге развития самогоэволюционного учения, приведшего к разнообразию самих теорий эволюции(дарвинизм, синтетическая теория эволюции — СТЭ, недарвиновская и т.д.).

Второйпоток — этовклад различных биологических дисциплин, да и всего естествознания в целом вединый комплекс знаний об эволюции и ее механизмах.

Внастоящее время накоплено огромное количество информации в биологии и вестествознании, так что возникает необходимость в проведении новогоэволюционного синтеза.

27.Концепции происхождения жизни на Земле (креационизм, самопроизвольное(спонтанное) зарождение, теория стационарного состояния, теория панспермии итеория биохимической эволюции)

 

Теории,касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко недостоверны.

1.Креационизм.

Согласноэтой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного событияв прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенныхрелигиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия)вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложиввозраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа(«кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этомполучается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологическиенаходки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Традиционноеиудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в КнигеБытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, чтоБиблия — это завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося вКниге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и всенаселяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются навдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане неотносятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено впонятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всехживых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существотносится к ответу, скорее, на вопрос «почему», а не «каким образом». Еслинаука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, тобогословие постигает истину через божественное откровение и веру.

2.Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

Согласноэтой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Этатеория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель,которого часто называют основателем биологии, развивая более ранниевысказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теориисамопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «… живое может возникать нетолько путем спаривания животных, но и разложением почвы». С распространениемхристианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» соккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то назаднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянскимбиологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого»получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза,согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Всередине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольногозарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

3.Теория стационарного состояния

Согласноэтой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда быласпособна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды такжесуществовали всегда. Совершенные методы датирования дают высокие оценкивозраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состоянияполагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды такженикогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь двевозможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонникиэтой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемыхостатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида,и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию. Попалеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн.лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районеМадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теориистационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды исравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и вэтом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используяпалеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, еенемногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков вэкологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либоископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численностиего популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохраненияостатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неяснымиаспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и онанаиболее подробно разработана именно в этом направлении.

4.Теория панспермии

Этатеория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновенияжизни, а выдвигает идею о ее внезапном происхождении. Поэтому ее нельзя считатьтеорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблемувозникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теорияпанспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разноевремя и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теориииспользуются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов),наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также(пока еще пишем — не подтвержденные) сообщения о встречах с инопланетянами.Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, чтовероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, —однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. Приизучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие«предшественники живого» — такие вещества, как цианогены, синильная кислота иорганические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших наголую землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов,напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологическойприроды пока не кажутся ученым убедительными.

5.Теория биохимической эволюции

Согласноэтой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результатепроцессов, подчиняющимся физическим и химическим законам. Эту теорию такженазывают гипотезой Опарина – Холдэйна.

Согласноданным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 — 5 млрд. лет. Вдалеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных,что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явиласьпредпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологическойэволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходомот неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни.Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в товремя, а именно:

—  высокаятемпература, порядка 4000 °С;

—  атмосфера,состоящая из водяных паров, СO2, СН3,NH3;

—  присутствиесернистых соединений (вулканическая активность);

—  высокаяэлектрическая активность атмосферы;

—  ультрафиолетовоеизлучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы иповерхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следуетподчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теориисамопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теориижизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

28. Признаки живыхорганизмов. Характеристика форм жизни (вирусы, бактерии, грибы, растения иживотные)

 

Современная биология приописании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов.При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может датьпредставление о специфике жизни.

Главные характеристикиживого: САМООБНОВЛЕНИЕ, САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ и САМОРЕГУЛЯЦИЯ.

Они определяют и основныесвойства живого:

1) МАТЕРИАЛЬНОСТЬ;

2) СТРУКТУРИРОВАННОСТЬ — живые организмы обладают сложной, упорядоченной структурой;

3) МЕТАБОЛИЗМ — живыеорганизмы получают энергию из окружающей среды и используют ее на поддержаниесвоей высокой упорядоченности;

4) ДВИЖЕНИЕ;

5) НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ иИЗМЕНЧИВОСТЬ — живые организмы не только изменяются, но и усложняются; а такжеспособны передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую дляжизни, развития и размножения;

6) РЕПРОДУКЦИЯ — всеживое размножается;

7) РАЗДРАЖИМОСТЬ — способность реагировать на внешние раздражения;

8) ОНТО- и ФИЛОГЕНЕЗ;

9) ДИСКРЕТНОСТЬ;

10) ЦЕЛОСТНОСТЬ.

Обобщая и несколькоупрощая сказанное о специфике живого, можно сказать, что все живые организмыпитаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые телане питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этихпризнаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: «жизньесть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизациии самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих системявляются белки и нуклеиновые кислоты.

Царство Вирусы

Слово «вирус» происходитот лат. Virus — яд животного происхождения. Это царство, включающее мельчайшиемикроорганизмы, паразиты клеток растений и животных.

Вирусы были открыты в1892 г. Д.И.Ивановским при изучении возбудителей мозаичной болезни табака.Бактериофаги — паразиты бактерий — открыты в 1917 г. Д' Эреллем как агенты,разрушающие культуру дифтерийной палочки. Вирусы и бактериофаги относят кнеклеточным формам жизни.

Их особенности:

1) незначительные размеры(десятые и сотые доли микрона);

2) отсутствие клеточногостроения;

3) простой химическийсостав;

4) невозможностьсуществования вне организма хозяина.

Форма вирусов может бытьразлична: палочковидная, нитевидная, сферическая, кубовидная, булавовидная.

Зрелые частицы вирусов — вирионы — состоят из двух основных компонентов: ДНК или РНК (уложенной в видеспирали) и белка.

Спираль упакована вбелковую оболочку — капсид, построенный из множества одинаковых частиц — капсомеров. Белковый капсид и нуклеиновая кислота образуют так называемыйнуклеокапсид.

Нуклеиновая кислота,защищенная капсидом, не проявляет активности. После же проникновения в клеткуначинается процесс синтеза ферментов, белков, нуклеиновых кислот вируса, затемразрешение клетки — хозяина и высвобождения вирионов.

Вирусы являютсявозбудителями многих болезней растений и животных. В прошлые века вирусныеинфекции носили характер пандемий и эпидемий, захватывая огромные территории.

Например, в Европе оспойзаболевало 10-12 млн. и умирало 1,5 млн. человек. Особо следует отметить корь.На сегодняшний день от кори ежегодно погибает более 2 млн. детей.

В 1918-1919 гг.грипп-испанка унес более 20 млн. людей.

Вирусные заболеваниянаносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Для животных очень опасен вирусящура, а вирусные заболевания картофеля, огурцов, томатов и др. существенноснижают урожаи сельскохозяйственных культур.

Вопрос о происхождениивирусов остается до сего времени не решенным.

Наиболее вероятнойпредставляется гипотеза, трактующая вирусы как результат деградации клеточныхорганизмов. Можно предположить, что длительная эволюция вирусов шла по путиоблигатного паразитизма, а именно утраты автономной АТФ, белоксинтезирующегоаппарата и собственной цитоплазматической мембраны.

Существует и другоемнение, что вирусы можно рассматривать как группы генов, вышедших из-подконтроля генома клетки. В пользу этой гипотезы говорит родство ДНК некоторыхвирусов с ДНК клетки и возможность включения ДНК вирусов в геном клетки.

Царство Бактерии

Царство Прокариотпредставлено весьма многочисленным и разнообразным миром бактерий. Возрастнаиболее древних бактерий насчитывает, по меньшей мере, 3-3,5 млрд. лет. Многиебактерии, по мнению ученых, появились сравнительно недавно. В настоящее времяразличные представители мира бактерий занимают практически беспредельныеэкологические ниши на нашей планете. Они выделяются из льдов Арктики иАнтарктиды, проникают в нефтяные скважины, живут в воде горячих источников,температура которых достигает 92°С, обильно населяют все типы почв (в 1г почвысодержится от 300 млн. до 2 млрд. клеток) и водоемы, поднимаются с потокамивоздуха на высоту 85 км… Многие прокариоты в процессе эволюции приспособилиськ жизни в организмах эукариот.

Бактерия в переводе сгреческого означает палочка. Бактерии были открыты голландцем А. Левенгуком в1675 г., но только Луи Пастер впервые показал роль бактерий в процессе броженияи других превращений веществ в природе. Бактерий насчитывается 5000 видов.

ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ:

—  малые размеры(0,0001 мм);

—  типичнаяпрокариотная клетка, отсутствуют обособленное ядро, митохондрии, пластиды,комплекс Гольджи, ядрышко, хромосомы и т.д.;

—  особое строение исостав мембранных структур и клеточных стенок;

—  по форме клеткимогут быть шаровидные, палочковидные и извитые.

Среди бактерий поисточнику используемой энергии выделяются ФОТОТРОФЫ и ХЕМОТРОФЫ.

Фотосинтезирующиебактерии для синтеза органических веществ используют световую энергию.Способность к фотосинтезу определяется наличием, пигментов — хлорофиллинов.Хемосинтезирующие бактерии используют для синтеза органических веществ несветовую энергию, а энергию, выделяющуюся при окислении каких-либонеорганических веществ окружающей среды.

По отношению к кислородувыделяют: облигатные аэробы, факультативные анаэробы и строгие анаэробы.

По источникуиспользуемого углерода выделяют: автотрофы и гетеротрофы (паразиты исапрофиты).

АВТОТРОФНЫЕ — способнысинтезировать из неорганических соединений органические вещества своего тела.

ГЕТЕРОТРОФНЫЕ — неспособные синтезировать органические вещества из неорганических, поэтому онинуждаются в поступлении готовых органических веществ извне в виде пищи.

САПРОФИТЫ — это бактерии,поселяющиеся на мертвых, останках растений и животных (бактерии гниения иброжения).

ПАРАЗИТЫ — это бактерии,пищей которых служат готовые органические вещества живых организмов (холерныйвибрион, столбнячная палочка, туберкулёзная палочка гонококки).

Разнообразие ипластичность бактерий обусловливает возможность использования ими не толькоестественного субстрата, но и веществ химического синтеза. Они действительноспособны трансформировать любые пластмассы, каучук, солярку, нефтепродукты,парафин, фенол, пестициды и т.д.

Царство Грибы

Царство Грибы насчитывает100 000 видов, разнообразных по строению и образу жизни. Грибы — этообособленная группа клеточных ядерных гетеротрофных организмов, имеющихсходство как с животными, так и с растениями.

Исследования показывают,что грибы — это древняя группа, существовавшая еще до расхождения растений иживотных, поэтому они выделены в самостоятельное царство.

Признаки сходства грибовс животными:

1-характер обменавеществ, связанный с образованием мочевины;

2-гетеротрофный типпитания;

3-содержание в стенкеклеток хитина;

4-образование запасногопродукта — гликогена.

Признаки сходства грибовс растениями:

1- питание путемвсасывания;

2-неограниченный рост;

3-наличие в клеткахклеточной стенки;

4-размножение со спорами.

Распространены грибы вовсех географических зонах. Они обнаруживаются в лесах, полях, в почве, в воде,на стенах домов и в организмах растений, животных и человека. СТРОЕНИЕ ГРИБОВ

Тело гриба состоит изособых переплетающихся нитей — гиф. Всю совокупность гиф гриба называютмицелием или грибницей.

Размеры грибов — отмикроскопических до 1,5 м в диаметре (у некоторых трутовиков).

Шляпочный гриб состоит изгрибницы и плодового тела. А плодовая часть — из шляпки и пенька. Характерной особенностьюгрибов является их гетеротрофность:

1-некоторые грибыпоселяются на мертвых останках растений и животных (сапрофиты);

2-некоторые питаются засчет живых существ (паразиты);

3-некоторые вступают всимбиоз с растениями.

Размножаются грибыбесполым и половым путем. Бесполое размножение осуществляется вегетативно испорами.

Формы половогоразмножения у грибов разнообразны и их делят на три группы: гаметогамия,гаметангиогамия, соматогамия.

В результате адаптации копределенным условиям среды у грибов сложились несколько экологических групп:

1-почвенные грибы;

2-водные грибы;

3-грибы-паразиты.

РОЛЬ ГРИБОВ

Грибы — это основнаягруппа редуцентов в экосистемах. Они участвуют в почвообразовании, выполняютроль санитаров, служат пищей и лекарством для животных.

В настоящее время ихиспользуют в микробиологической промышленности (синтез витаминов, органическихкислот), хлебопечении (дрожжи), медицинской промышленности (синтезантибиотиков) и т.д.

Отрицательная роль — этопаразитические грибы, ядовитые и вызывающие порчу продуктов.

Царство Растения

Наука, изучающая растенияназывается ботаника (в переводе с греч. означает трава, зелень). Еслисопоставить наличие растительной массы на Земле по отношению к животной, то этовыразится соотношением 2200:1.

Разнообразие растенийвелико — 500 000 видов.

Роль зеленых растенийможет быть определена так:

1) зеленые растенияобеспечивают атмосферный воздух кислородом;

2) образующиеся впроцессе фотосинтеза органические вещества используются как пища растениями,животными и человеком;

3) в органическомвеществе аккумулируется солнечная энергия;

4) растения дают огромноеколичество продуктов, которые используются как сырьё для различных отраслейпромышленности;

5) эстетическая роль.

Растения объединяются вдва подцарства по организации вегетативного тела: низшие и высшие растения.

Низшие Растенияхарактеризуются относительной простотой строения. Внешне тело не расчленено накорень, стебель и листья и носит название СЛОЕВИЩЕ или ТАЛЛОМ. Слоевище можетбыть представлено одной клеткой или быть многоклеточным, приобретая разнообразныеформы (нити, ленты, куста и т.д.). К низшим растениям относятся ВОДОРОСЛИ и ЛИШАЙНИКИ.

Водоросли насчитывают 60000 видов. Лишайники — 20 000 видов.

Водоросли являютсяпредками наземных растений. Половое размножение с образованием гамет впервыенаблюдается у водорослей.

К подцарству ВысшихРастений относятся отделы:

—  псилофиты(вымершие);

—  мохообразные;

—  папоротникообразные;

—  голосеменные;

—  покрытосеменные.

Характерные признакивысших растений:

1. Большинство высшихрастений имеют расчленение на вегетативные органы: корень, побег (листья истебель).

2. В основе строениявегетативных органов лежат разнообразные ткани.

3. Для высших растенийтипичен женский половой орган — архегоний, наблюдаемый у низших растений. Уцветковых — от архегония осталась лишь главная часть — яйцеклетка.

4. Как правило, обитателисуши.

5. По способу питания,как правило, автотрофы.

6. В развитии характерночередование полового и бесполого поколений.

Произошли высшие растенияот зеленых и бурых водорослей.

Царство Животные

Животных изучает наука,которая называется зоология ( в переводе с греч. означает наука о животных).

Известно около 2 млн.различных животных — от микроскопических до гигантских форм, обитающихповсеместно.

Это одно- имногоклеточные организмы.

Различают травоядных,плотоядных, всеядных животных.

Животные ведут иразличный образ жизни: свободный, симбиотический и паразитический.

Животные в природе и длячеловека играют как положительную, так и отрицательную роль.

Положительноезначение:

1-в природе:

а) консументы;

б) санитары;

в) опылители;

г) почвообразователи.

2- для человека:

а) продукт питания;

б) сырье дляпромышленности;

в) экспериментальныйлабораторный материал;

г) бионика;

д) помощники в труде,спорте, отдыхе.

Отрицательноезначение:

1) ядовитые, опасные;

2) возбудителизаболеваний;

3) переносчики ипромежуточные хозяева возбудителей заболеваний;

4) вредители сельскогохозяйства.

29. Структурные уровниорганизации живой материи

 

Интересно, что проблемууровней организации живой материи решили не биологи, а философы. В 1920-е годыамериканские философы Г. Браун и Р. Селларс объявили о разработке ими понятия«структурные уровни». Согласно их концепции, эти «уровни» различаются не толькопо «классам сложности», но и по закономерностям функционирования.

Надо сказать, чтоконцепция Г. Брауна и Р. Селларса не была принята сразу. А применение она нашлалишь в середине 20-го века.

Развитию этой концепции иее внедрению в биологию содействовал А.Новиков в 1940-е годы.

Структурный, илисистемный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеетсложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различныеуровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным являетсявыделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.

1. БИОСФЕРНЫЙ — включает всю совокупность живыхорганизмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

2. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ — выражает следующую ступеньструктуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых инеживых компонентов, представляющих природный комплекс, экосистему.

3.ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ — совокупность свободно

скрещивающихся особейодного вида — популяции.

4. ОРГАНИЗМЕННЫЙ ИОРГАННО-ТКАНЕВОЙ — отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а такжестроение и функции органов и тканей живых существ.

5. КЛЕТОЧНЫЙ ИСУБКЛЕТОЧНЫЙ — отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточныевключения.

6. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ — составляет предмет молекулярнойбиологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмовпередачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материина уровни является, конечно, весьма условным. Например, решение конкретныхбиологических проблем опирается на данные обо всех уровнях живого. Но все же вмире существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. И, безусловно,фундаментальной основой («первокирпичиками») живого мира является клетка.

30. Происхождение иэтапы эволюции человека как биологического вида

 

Решающий вклад вдоказательство животного происхождения человека внес Ч. Дарвин («Происхождениечеловека и половой отбор»(1871), «Выражение эмоций у человека и животных»(1872)).

Дарвин проанализировалобширные данные систематики, сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологиии палеонтологии. И пришел к выводу о поразительном сходства человека сживотными, особенно с человекообразными обезьянами.

Систематика исравнительная анатомия

Человек относится кклассу млекопитающих. Он имеет:

1) млечные, сальные ипотовые железы;

2) волосяной покров тела;

3) специализированныезубы;

4) четырехкамерное сердцеи левую дугу аорты;

5) внутриутробноеразвитие и вскармливание детенышей молоком.

Наибольшее сходствонаблюдается с человекообразными обезьянами (антропоидами): гориллой, шимпанзе,орангутангом, гиббоном. Черты их сходства:

1) общность внутреннегостроения;

2) отсутствует хвост;

3) сходные ушныераковины;

4) имеются ногти напальцах;

5) одинаково выражаютэмоции (плач, гнев, смех, возбуждение);

6) имеют сходные болезни(туберкулез, брюшной тиф, дизентерия, детский паралич, синдром Дауна (лишняя 21хромосома));

7) сходны группы крови иальбумины крови;

8) сходство нуклеотидныхпоследовательностей ДНК (у человека и шимпанзе составляет 91%).

Сравнительнаяэмбриология

На ранних этапах развитиязародыш человека невозможно ОТЛИЧИТЬ от зародышей приматов и другихпозвоночных:

1) двухкамерное сердце;

2) шесть пар жаберныхдуг;

3) хвостовая артерия;

4) сегментарное строениемышц;

5) перепонки между пальцами(как у амфибий);

6) гладкий, без извилин,головной мозг;

7) несколько пар молочныхжелез;

8) хвостовой отделпозвоночника (затем редуцируется и превращается в копчик).

Некоторые из этихпризнаков сохраняются в виде рудиментов (их более 90): аппендикс, волосянойпокров, подкожные мускулы и т.д.

Вместе с тем человекимеет специфические, присущие только ему особенности:

1) прямохождение;

2) опорную стопу с сильноразвитым первым пальцем;

3) противопоставлениепервого пальца только на руке;

4) подвижную кисть руки;

5) позвоночник с четырьмяизгибами;

6) расположение таза подуглом 60° к горизонтали;

7) большой и объемистыймозг с развитой корой;

8) относительно крупныеразмеры лицевого отделов черепа;

9) ограниченнуюплодовитость;

10) плечевой сустав,допускающий движение рук с размахом почти до 180° и другие.

Палеонтологическиеданные

Найдены ископаемые предкичеловека — древнейшие и древние люди.

Первые плацентарныемлекопитающие возникли в конце мезозойской эры. От примитивных насекомоядныхмлекопитающих обособился отряд приматов.

Около 30 млн. лет назадпоявились парапитеки — небольшие животные, жившие на деревьях и питающиесярастениями и насекомыми.

От парапитеков произошлигиббоны, орангутанги и вымершие впоследствии древесные обезьяны — дриопитеки.

Дриопитеки дали триветви, из которых две привели к шимпанзе и горилле, а третья, через рядпромежуточных форм, к человеку.

В процессе становлениячеловека выделяют три стадии:

1) древнейшие люди;

2) древние люди;

3) современные люди.

Древнейшие люди.

Возникли около 1 млн. летназад. Известно несколько их форм: питекантроп, синантроп и гейдельбергскийчеловек. Они отличались большими надбровными дугами, отсутствием подбородочноговыступа, низким и покатым лбом. Масса мозга достигала 800 — 1000 г. Они жили в пещерах,использовали огонь, изготавливали каменные орудия.

Древние люди.

Неандертальцы появилисьоколо 200 000 лет назад. Объем их мозга возрос до 1 400 см3. У них былазачаточная речь, судя по особенностям строения нижней челюсти. Современныелюди.

Появились 40 — 50 тыс.лет назад. А около 28 000 лет назад кроманьонцы окончательно вытеснилинеандертальцев.

Они были высокого роста(до 180 см), с высоким лбом и объемом черепной коробки до 1600 см3. У нихотсутствовал сплошной надглазный валик, имелся подбородочный выступ, и былахорошо развита членораздельная, речь. Кроманьонцы изготавливали разнообразныеорудия труда из кости, камня, приручали животных и начали осваивать земледелие.

Современноечеловечествопринадлежит к виду — Человек разумный. Внутри вида выделяют три ' большие расы:негроидную, европеоидную и монголоидную. Различия между расами сводятся кособенностям цвета кожи, волос, глаз, формы носа, губ и т.д. Возникли этиразличия в процессе приспособления человеческих популяций к местным природным условиям.

Надо сказать, что до сихпор бытует мнение о том, что общественная сущность людей отражает биологическиезакономерности («социальный дарвинизм»), а расы разделяются на высшие и низшие(расизм). Одним из появлений расизма является фашизм.

Важную роль в эволюциичеловека сыграли биологические и социальные факторы.

Биологическиефакторы

1. Древесный образ жизни(совместное действие зрительного анализатора и руки способствовалопрогрессивному развитию коры головного мозга и манипулированию предметами).

2. Стадный образ жизни(способствовал выработке сигнальных систем).

3. Способность кпрямохождению (освободила передние конечности для манипулирования ими).

4. Большой объемголовного мозга (материальный субстрат высшей нервной деятельности).

Социальные факторы

1. Трудовая деятельность(сложные манипуляции рукой привели к ее функциональным и морфологическимизменениям. Рука — не только орган труда, она и его продукт).

2. Совместная трудоваядеятельность (привела к совершенствованию сигнальных систем, мозга, развитиюречи, изменению гортани).

3. Потребление мяса,использование огня и одомашнивание животных.

4. Расселение людей истановление общественных отношений.

При этом ведущимифакторами были труд и изготовление орудий труда.

31. Клеточнаяорганизация живых систем (структура клетки)

 

Живая клетка являетсямельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе иносителем генетической информации.

Основы клеточной теориибыли заложены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом в XIX веке.Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительныеи животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению.

ПОСТУЛАТЫ КЛЕТОЧНОЙТЕОРИИ:

1. Все живые организмысостоят из клеток.

2. Клетки одноклеточных имногоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу ивыполняемым функциям.

3. Размножение клетокпроисходит путем деления исходной (материнской) клетки.

4. Многоклеточныеорганизмы представляют собой сложные комплексы клеток, объединенные целостныесистемы тканей и органов, связанных между собой межклеточными, гуморальными,нервными формами регуляции.

Размеры клеток колеблютсяот одной тысячной сантиметра до 10 см, что встречается редко.

Клетки образуют ткани,несколько типов тканей — органы, группы органов — системы организма.

Клетка имеет сложнуюструктуру. В состав клетки входят: ядро, цитоплазма и мембрана.

Существуют организмы склеточным строением, клетки которых не имеют структурно оформленного ядра. Этотак называемые ПРОКАРИОТЫ.

Считают, что они являютсяпредшественниками ЭУКАРИОТОВ (ядерное содержимое которых заключено в ядернуюоболочку), которые появились около 3 млрд. лет тому назад.

К прокариотам относятсябактерии и сине-зеленые водоросли, а к эукариотам — все остальные клетки,начиная от низших растений до человека.

Структурапрокариотической клетки:

1) нуклеоид (циклическаямолекула ДНК); 2) впячивания плазмолеммы; 3) ферменты на клеточных складках(выполняют синтез углеводов, липидов, фотосинтез); 4) цитоплазма; 5) рибосомы(отвечают за синтез белков); 6) мембрана; 7) клеточная стенка.

Структураэукариотической клетки:

1. Животная клетка:

1) ядро с ядрышком; 2)цитоплазматическая мембрана; 3) эндоплазматическая сеть; 4) пиноцитознаявакуоль; 5) лизосома; 6) аппарат Гольджи; 7) жировые включения; 8) центриоли;9) митохондрии; 10) полирибосомы.

2. Растительнаяклетка:

1) ядро с ядрышком; 2)цитоплазматическая мембрана; 3) эндоплазматическая сеть; 4) плазмодесма; 5) пиноцитознаявакуоль; 6) аппарат Гольджи; 7) лизосома; 8) митохондрии; 9) полирибосомы; 10)вакуоль; 11) хлоропласт.

Основное отличиепрокариотической клетки от эукариотической в том, что у последней молекула ДНКсвязана с белком и организована в хромосомы, которые располагаются в ядре.Эукариотические клетки обычно крупнее прокариотических.

32. Химический составклетки (элементарный, молекулярный – неорганические и органические вещества)

 

Химические соединения,входящие с состав клетки разделят условно на органические инеорганические.

К органическимотносятся:

БЕЛКИ — 10-20%;

ЖИРЫ — 1-5%;

УГЛЕВОДЫ — 0,2-2%;

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ — 1-2%;

АТФ — 0,1-0,5%.

К неорганическимотносятся:

ВОДА — 70-85%;

МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ — 1-1,5%.

Остановимся болееподробно на функциях химических соединений, входящих в состав клетки.

Вода выполняетследующие функции:

1) является универсальнымрастворителем;

2) необходима длягидролиза и окисления высокомолекулярных веществ (белков, жиров, углеводов);

3) обеспечивает переноснеобходимых веществ и выделение вредных продуктов;

4) теплорегулятор клеткии организма в целом;

5) осморегулятор.

Минеральные веществавыполняют функции:

1) поддерживаютпостоянство внутренней среды организма за счет влияния на кислотно-щелочноеравновесие крови, плазмы, межклеточной жидкости;

2) обеспечиваютпостоянство осмотического давления, следовательно, поступление воды в клетку;

3) активация ферментов;

4) соединение сорганическими веществами.

Белки — это биополимеры, мономерами которыхявляются аминокислоты. Белки обладают первичной, вторичной, третичной ичетвертичной структурами. Белки делятся на два класса: фибриллярные иглобулярные.

Белки выполняютследующие функции:

1) ферментативную (входятв состав ферментов);

2) структурную (входят всостав мембран, рибосом, хромосом);

3) транспортную(переносят кислород- гемоглобин);

4) двигательную(обеспечивают сокращение мускулатуры, движение жгутиков, ресничек, хромосом приделении и т.д.);

5) защитную (входят всостав антител и защитных покровов: волос рогов, копыт и т.д.);

6) энергетическую (прирасщеплении 1г белка выделяется 17,1 кДж энергии).

Углеводы подразделяют намоносахариды и полисахариды.

Их функции следующие:

1) основной источникэнергии в клетке (окисление 1г глюкозы дает 17,1 кДж энергии);

2) структурная(строительный материал) — целлюлозная стенка у растений;

3) играют роль запасныхпитательных веществ: крахмал в растительных клетках, гликоген — в животных;

4) исходное органическоевещество в цепи питания.

Липиды — жироподобные вещества, у которыходна молекула жирной кислоты замещена Н3РО4.

Липиды выполняютследующие функции:

1) структурная (входит всостав мембран);

2) форма депонированияэнергии (окисление 1г жира дает 39 кДж энергии);

3) защитная функция(защитный каркас для внутренних органов, теплорегуляция, подкожный жиробеспечивает эластичность);

4) компонент витаминов,растительных пигментов;

5) источник воды дляживотных организмов.

Нуклеиновые кислоты (ДНКи РНК). В состав нуклеиновых кислот входят: азотистое основание, углевод,остаток фосфорной кислоты.

ДНК выполняет в клеткеследующие функции:

1) химическая основахромосомного генетического материала (гена);

2) синтез ДНК;

3) синтез РНК;

4) закодированнаяинформация о структуре белков.

Функции РНК:

1) иРНК (информационная) передаетзакодированную информацию о первичной структуре белковой молекулы;

2) рРНК (рибосомная)входит в состав рибосом;

3) тРНК (транспортная)переносит аминокислоты к рибосомам.

АТФ (аденозинтрифосфорнаякислота). В состав АТФ входят: аденин, 3 остатка фосфорной кислоты, углевод(рибоза).

АТФ в клетке выполняетследующие функции:

1) отщепление фосфорнойгруппы сопровождается выделением 40 кДж энергии (при разрыве обычной химическойсвязи выделяется 12 кДж), поэтому АТФ обеспечивает энергией процессыжизнедеятельности клетки.

33. Биосфера –определение. Учение В.И. Вернадского о биосфере

 

Термин «биосфера» былвведен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначенияоболочки Земли, населенной живыми организмами.

Более глубоко и широко биосферапредставлена в трудах Владимира Ивановича Вернадского.

БИОСФЕРА — это вместилище жизни, сложная,целостная система, динамическое равновесие которой проявляется множествомпараметров. Само слово «биосфера» произошло от слов «био» и «сфера» — этообласть активной жизни, охватывающей нижнюю часть атмосферы, верхнюю частьлитосферы и гидросферу.

В биосфере живыеорганизмы (живое вещество) и среда обитания органически связаны между, собой ивзаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.

В.И.Вернадский писал: «Биосфера — это среда нашей жизни, это та «природа», о которой мы говорим в разговорномязыке. Человек, прежде всего, своим дыханием, проявлением своих функций,неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или в уединенномдомике».

«Человек… как и всеживые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы… составляет определенную закономерность строения биосферы».

БИОСФЕРА — это совокупность всех живыхсуществ в природе, которая имеет свои границы.

Основные идеи Вернадскогопо проблемам биосферы сложились в начале прошлого столетия. Вернадскийрассматривал биосферу как область жизни, основа которой — взаимодействие живогои косного веществ. Сама биосфера является продуктом длительного развития нашейпланеты.

Главной особенностьюбиосферы ученый считал миграцию атомов химических соединений, вызываемойэнергией Солнца и проявляющуюся в процессе обмена веществ, росте и размноженииорганизмов.

Эта биогенная миграцияподчиняется двум биогеохимическим принципам:

1) стремится кмаксимальному проявлению — возникает «всюдность» жизни;

2) приводит к выживаниюорганизмов, увеличивающих биологическую миграцию атомов.

Исходя из этого, можносказать, что БИОСФЕРА — это область земной коры, занятаятрансформаторами, переводящими космическую энергию в земную — электрическую,химическую, механическую, тепловую и т.д.

Биосфера включает всебя:

1) живые организмы;

2) биогенное вещество(уголь, нефть, известняки и др., ископаемые материалы, органическогохарактера);

3) косное вещество (в егообразовании живое не участвует);

4) биокосное вещество(создается с помощью живых организмов);

5) вещество космическогопроисхождения.

В главных чертахохарактеризуем биосферу по отдельным оболочкам, которые она охватывает.

АТМОСФЕРА.

Ее протяженность — 2-3тыс. км. Граница жизни распространяется до 10 км (споры грибов и бактерийобнаруживают на высоте до 20 км). Атмосферу составляют оболочки: тропосфера,стратосфера и ионосфера.

ТРОПОСФЕРА — нижний слой атмосферы высотой 15км, включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемешивающиеся при неравномерномнагревании поверхности Земли.

СТРАТОСФЕРА — слой, лежащий выше тропосферы довысоты 40 км. В верхней части свободный кислород превращается в озон, которыйобразует экран, поглощающий космические излучения и коротковолновыеультрафиолетовые лучи Солнца, губительные для живого.

ИОНОСФЕРА — слой, находящийся выше стратосферы,где преобладают разряженные газы.

ЛИТОСФЕРА.

Ее протяженностьсоставляет 30-70 км, а границы жизни — 6-8 м (до 100 м). Это твердая каменнаяоболочка Земли. Верхняя часть литосферы состоит из осадочных горных пород. Подними лежат гранитные и базальтовые слои. На поверхности литосферы находитсяпочва — слой Земли, изменяемый атмосферой и организмами. Остатки живыхорганизмов разлагаются в почве редуцентами, которые включают в круговоротхимические элементы, использующиеся зелеными растениями. Растения играюткосмическую роль, являясь посредником между Солнцем и всем живым на Земле, таккак выделяют кислород и синтезируют органические вещества.

ГИДРОСФЕРА.

Занимает 70% поверхностиЗемли, ее протяженность — 11 км (Марианская впадина).

Это водная оболочкаЗемли, расположенная между атмосферой и земной корой. Мировой океан имеетсреднюю глубину 3,8 км, максимальную — до 11 км, в нем растворены соединения до100 химических элементов и, что особенно важно для животных и растений — кислород и углекислый газ. Живые организмы, населяющие Мировой океан,подразделяются на планктон и бентос. Планктон — населяет воднуютолщу, а бентос — прикреплен ко дну. Океан оказывает большое влияние наклимат — смягчает жару и холод. На дне происходят процессы отложения осадочныхпород.

Биосфера — это саморегулирующаяся система, вкоторой все живые организмы связаны между собой. Эта система формироваласьсотни тысяч лет и имела три этапа развития:

1) нижний палеолит, вовремена которого происходило основное формирование биомассы планеты, — верхнийпалеолит;

2) от верхнего палеолитадо начала нашего тысячелетия. Это время, когда вмешательство человека,считающего себя высшим существом, привело к первому крупнейшему экологическомукризису, повлекшему за собой вымирание многих видов крупных животных;

3) развитиенаучно-технического прогресса и нерациональное природопользование. Онпродолжается до наших дней.

34. Понятие о живомвеществе биосферы. Функции живого вещества в биосфере

 

Живым веществом биосферы называют совокупность всехживых организмов. Оно представляет собой открытую систему, для которойхарактерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии свнешней средой. Количественное выражение живого вещества — биомасса. БиомассаЗемли составляет 2,423*1012 т, из них на растения приходится 97%, наживотных — 3%.

Роль живого вещества вприроде планеты велика. В целом живое вещество обеспечивает главную функциюбиосферы — круговорот веществ в природе (циклическое перемещение и превращениеводы, газов и химических элементов).

Биологическийкруговорот включает:

а) аккумуляцию элементовв живых организмах;

б) минерализацию веществв результате разложения мертвых организмов.

В процессекруговорота живое вещество выполняет следующие функции:

1) ГАЗОВУЮ — постоянный газообмен с окружающейсредой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений;

2) КОНЦЕНТРАЦИОННУЮ — биогенная миграция атомов в живыеорганизмы, и после их отмирания — в неживую природу;

3)ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНУЮ — обмен веществ и энергии с внешней средой; при диссимиляцииокисляются органические вещества, выделяемая энергия аккумулируется в АТФ; приассимиляции энергия АТФ и органические вещества используются для образования необходимыхорганизму веществ;

4) БИОХИМИЧЕСКУЮ — химические превращения веществ иэнергии, составляющие основу жизнедеятельности организмов.

35. Ноосфера –определение и характеристика. Этапы и условия становления ноосферы

 

Человек своейдеятельностью создает новую оболочку Земли — ноосферу(т.е. сферу разума жизни).

Сам термин «ноосфера»возник в 1926 г. в Париже во время обсуждения доклада Вернадского, где онизлагал концепцию развития биосферы. Его предложил французский исследователь Э.Леруа.

НООСФЕРА — это новое, эволюционное состояниебиосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающимфактором ее развития.

Условия,необходимые для становления и существования ноосферы.

1. Заселение человекомвсей планеты. НаЗемле действительно не осталось места, не подвергавшегося в той или инойстепени воздействию человека.

2. Резкоепреобразование средств связи и обмена между странами. Средства связи непрестанноразвиваются и совершенствуются. Для обмена информацией широко применяетсяскоростная авиация, факсы, сеть «Интернет», телевидение, радио и т.д.

3. Усиление связей, втом числе политических, между всеми государствами Земли. Возникла Организация ОбъединенныхНаций (ООН), которая помимо участия в ряде локальных конфликтных ситуацийсоздала ряд специальных международных организаций для обеспечениясотрудничества в различных областях культурной и практической деятельности.

4. Преобладаниегеологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающимив биосфере.Человеческая: деятельность изменила состав речных, озерных и морских вод,определила глобальные климатические изменения, влияет на уровень мировогоокеана, сохранность озонового слоя Земли и т.д.

5. Расширение границбиосферы и выход в космос. Эта была мысль Вернадского, и она осуществилась, человек вышел в Космос.

6. Открытие новыхисточников энергии.Например, энергия атомного распада нашла применение в работе атомных реакторов,электростанций, атомных бомб.

7. Равенство людейвсех рас и религий.После второй мировой войны произошло разрушение колониальных империй, созданныхв конце XIX века (Африка, Южная Азия). Почти во всех странах мира люди разныхвероисповеданий равноправны.

8. Увеличение ролинародных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Роль народных масс в жизнибольшинства людей, несомненно, возрастает.

9. Свобода научноймысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политическихнастроений и создание в общественном и государственном строе условий,благоприятных для свободной научной мысли.

10. Подъемблагосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты иослабление влияния болезней. Процесс улучшения условий жизни идет оченьнеравномерно (в ' разных странах по-разному). Положение с ослаблением влиянияболезней достаточно сложно: появились новые болезни (рак, СПИД, аллергические ит.д.).

11. Разумноепреобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способнойудовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численновозрастающего населения. Первые шаги, несомненно, начали осуществляться со второй половины XX векак разумному использованию природных ресурсов.

12. Исключение войн изжизни общества. Этоусловие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существованияноосферы. Оно еще не выполнено.

Таким образом, мы видим,что налицо почти все те конкретные признаки, на которые указывал Вернадский,позволяющие отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы.Процесс перехода биосферы в ноосферу будет постепенным и явится действующейстратегией выживания и достижения разумного будущего человечества.

По Вернадскому НООСФЕРА — это качественно новая форма организованности, возникающая при взаимодействииприроды и общества.

В последние годы под НООСФЕРОЙ — понимается планетарное и космическое пространство, которое преобразуется иуправляется человеческим Разумом, гарантирующим прогрессивное его развитие.

Возможно, уместнее былобы говорить о ноосфере, когда человек сможет разумно распоряжаться своим могуществоми обеспечить такое взаимодействие с окружающей средой, которое позволитразвиваться и человеку, и природе, и обществу.


36. Физиологиячеловека. Характеристика физиологических систем человека (нервная, эндокринная,сердечнососудистая, дыхательная, выделительная и пищеварительная)

 

Физиология — наука о жизнедеятельностиорганизма.

Организм человека — это открытая система, энергия,вещество и информация потребляются и трансформируются.

Управлениефизиологическими процессами организма осуществляется центральной нервнойсистемой, вегетативной нервной системой, эндокринной системой, кровью и лимфой.

Центральная нервнаясистема представлена головным мозгом и образует функциональное целое спериферической нервной системой.

Мозг человекаподразделяется на 5 отделов:

1 — передний мозг (мозговаякора и мозолистое тело);

2 — промежуточный мозг(таламус и гипоталамус);

3 — средний мозг;

4 — мозжечок;

5 — продолговатый мозг.

С целью контролированияфизиологической деятельности головного мозга в медицине сегодня используетсяэлектроэнцефалограмма (ЭКГ).

Кора головного мозгаотвечает за высшие психические акты: речь, мышление, осмысленные действия.

Спинной мозг ответствененза условные и безусловные рефлексы.

Вегетативная нервнаясистема отвечает за нервную регуляцию внутренней среды организма.

Человек избирательноотносится к информации (лишь 1% поступающей к нему информации он способензаключить в свою долговременную память).

Эндокринная система — гипоталамус,эпифиз, гипофиз, щитовидная и околощитовидная железы, надпочечники,поджелудочная железа, половые железы.

Продуктами внутреннейсекреции являются гормоны (белки и липиды). Гормоны выделяются в кровь и лимфуи, достигнув, органа — мишени, оказывают на него специфическое воздействие.

Жидкие среды: кровь илимфа — обеспечивают обмен веществ.

Кровь:

1) переносит кислород оторганов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к органам дыхания; \

2) доставляет питательныевещества от органов пищеварения к тканям, а продукты обмена к органамвыделения;

3) участвует вподдержании постоянной температуры тела и регуляции водно-солевого обмена икислотно-щелочного равновесия в организме;

4) выполняет функциюзащиты от микроорганизмов и инородных тел.

Лимфа — бесцветнаяжидкость:

1) обеспечивает обменвеществ между кровью и. тканями организма;

2) удаляет вещества, непоглощаемые кровеносными капиллярами.

Сердце обеспечиваеткровоток. Сердце вместе с сосудами (артериями, венами, капиллярами) образуетсердечно-сосудистую систему.

Функция дыхания — перевод кислорода в кровь ивыделение углекислого газа. Главным образом дыхание осуществляется через легкие(лишь 1-1,5 % кислорода в организм поступает через кожу и пищеварительныйтракт).

Функцияжелудочно-кишечного тракта — механическая, обработка пищи, ее переваривание, всасываниепродуктов переваривания и включение их в кровоток, выведение чуждых организмувещественных образований.


37. Концепцияздоровья. Условия ортобиоза. Валеология – понятие

 

ЗДОРОВЬЕ — это комплексная, интегральная икачественная характеристика организма и личности человека.

ЗДОРОВЬЕ — это состояние максимальнойадаптации (биологической и социальной) человека к окружающей среде.

ЗДОРОВЬЕ — это состояние полного физического,духовного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней илифизических дефектов.

ЗДОРОВЬЕ — это количество резервов ворганизме, это максимальная производительность органов при сохранениикачественных пределов их функций. (У каждого человека есть свои резервыздоровья. Например, в спокойном состоянии через легкие проходит 5-9 л воздуха вминуту. А легкие спортсмена могут пропустить в 30 раз больше. Это и есть резерворганизма.)

В жизни человека имеютместо различные ценности: уровень благосостояния, материальное и духовноебогатство, но самую высокую ступень на этой лестнице занимает — здоровье.Причем по мере роста благосостояния населения, удовлетворения его естественныхпервичных потребностей в пище, жилье и других благах, — относительная ценностьздоровья все более возрастает и человек уделяет ему все большее внимание.

Правильный образ жизни И.И. Мечников называл ортобиозом («орто» — прямой,правильный; «био» — связанный с жизнью).

Кратко рассмотрим восемьважнейших условий ортобиоза — какими они представляются с точки зрениясовременной науки.

1. Труд, являющийся важнейшим условиемфизиологического благополучия. Органы-тунеядцы быстро чахнут.

2. Нормальный сон. Дирижером симфонии жизни, старящимсяв первую очередь, является мозг. Средством же восстановления его сил, даваемымсамой природой, служит в первую очередь состояние сна. Понятно поэтому, чтоправильное использование этого блага абсолютно необходимо.

3. Положительныеэмоции. Ихобеспечивают доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм. Надофиксировать внимание на хорошем и уметь радоваться ему.

4. Рациональноепитание.Рациональным оно должно быть по качеству, по количеству и по режиму.

5. Избегать алкоголя иникотина — важноеусловие ортобиоза. Алкоголь — яд для всех клеток тела. Слабеют нервныепроцессы, особенно тормозной. Дрябнет сердечная мышца. От алкоголя тяжелострадает печень — она перестает должным образом выполнять свою барьерную,защитную роль. Кишечные яды все свободнее проникают в кровь, и закономерныйконец алкоголика — тяжелое отравление этими ядами, известное под наименованием«белой горячки». Табачный яд — целый букет вредностей. Никотин —нервно-сосудистый яд. Он бьет современного человека в самое больное место —усиливает атеросклероз. От инфаркта миокарда курящие умирают в 11 раз, от ракалегких в 13 раз чаще, чем некурящие. Живут они на 10 лет меньше.

6. Соблюдение режима, т. е. выполнение определеннойдеятельности организма в определенное время, приводит к образованию в мозгуусловных рефлексов на время. В результате привычное время еды настраиваеторганизм на принятие и переваривание пищи, привычное время для работы — насоответствующую форму деятельности.

7. Закаливаниеорганизма — важноеусловие ортобиоза. Под закаливанием понимают процесс приспособления организма кнеблагоприятным внешним воздействиям, главным образом к ходовому фактору,причем приспособление это достигается путем использования естественных силприроды — солнечных лучей, воздуха, воды.

8. Физическиеупражнения, достаточный объем двигательной активности; это — важнейший элемент физическойкультуры и правильного образа жизни.

ВАЛЕОЛОГИЯ (лат. vale — стандартная дляДревнего Рима форма приветствия «будь здоров»; греч. λόγος — учение) — это наука, илифилософско-религиозная концепция о здоровье, здоровом образе жизни, обадекватном реагировании организма на быстро меняющиеся реалии жизни.

Термин «валеология» былпредложен для использования в современной образовательной и медицинскойпрактике в начале 80-х гг. двадцатого столетия И.И. Брехманом.

Валеология изучаетуровень, потенциал и резервы физического и психического здоровья, а такжеметодики, средства, технологии сохранения и укрепления здоровья.

Предметом валеологииявляется индивидуальное здоровье человека как категория качества жизни. Вотличие от других наук о человеке, здоровье определяется как самостоятельнаякатегория, сущность которой может быть определена количественно и качественно,а также управляема на разных уровнях – физическом, психическом и социальном.

Валеология обучаеткачествам, необходимым для здоровой и успешной повседневной жизни, а такжезнакомит с психологическими ловушками личностного роста. В ней содержатсяпрактические знания, необходимые на каждый день: управление временем, выработканеобходимых для достижения успеха черт характера, обучение восприятию ипониманию партнёра, а также основные навыки психологии счастья и здоровья. Ввалеологии кратко излагаются практические советы и знания на каждый день,собранные из множества источников и систематизированные. Валеология включаетупражнения и методики оздоровления организма.


38. Кибернетика (исходныепонятия). Качественная характеристика информации

 

Кибернетика (от греч. kybernetik — искусство управления) — этонаука, занимающаяся исследованиями процессов управления сложными системами собратной связью. Она возникла на стыке математики, техники инейрофизиологии, и ее интересует целый класс как живых, так и неживых систем, вкоторых существуют механизмы обратной связи. Основателем кибернетики считаетсяамериканский математик Н. Винер, выпустивший в 1948 г. книгу«Кибернетика».

Кибернетика изучает способысвязи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось ввести понятиеинформации (от лат. informatio — ознакомление, разъяснение) как меры организованностисистемы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавиенового научного направления, возникшего на базе кибернетики — информатики(соединение слов информация и математика).

С повышением энтропииуменьшается информация (поскольку все усредняется) и, наоборот, понижениеэнтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует ио связи информации с энергией. Энергия (от греч. energia — деятельность) характеризует общуюмеру различных видов движения и взаимодействия.

Информация характеризуетмеру разнообразия систем. Хотя информация и энергия относительно обособленыдруг от друга, тем не менее, они связаны между собой. Информация растет сповышением разнообразия системы. Одним из основных законов кибернетики являетсязакон необходимого разнообразия: эффективное управление какой-либо системойвозможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы большеразнообразия управляемой системы. Значит, чем больше мы имеем информации осистеме, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет проходить этотпроцесс.

Общее значениекибернетики обозначается в следующих направлениях:

1. Философскоезначение — даетновое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации,организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности.

2. Социальное значение — дает новое представление обобществе как организованной целой системе.

3. Общенаучноезначение — даетновые понятия управления, методы исследования, формирует гипотезы о внутреннемсоставе и строении систем.

4. Методологическоезначение — изучаяпростые технические системы, выдвигает гипотезы о работе сложных систем (живыхорганизмов, мышления людей).

5. Техническоезначение — созданиеЭВМ, роботов, персональных компьютеров. ЭВМ и персональные компьютеры облегчаютумственный труд, заменяя человеческий мозг в его наиболее простых и рутинныхфункциях. ЭВМ работают по принципу «да-нет», и этого оказалосьдостаточно для того, чтобы создать вычислительные машины, хотя и уступающиемозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте выполнения вычислительныхопераций. Если же будут построены не просто человекоподобные роботы, но ипревосходящие его по уму, то это повод не только для радости, но и длябеспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемойвозможного выхода машин из-под контроля людей и даже возможного порабощения имичеловека.

Качественнаяхарактеристика информации.

Возможностьи эффективность использования информации обусловливаются такими основными еепотребительскими показателями качества, как репрезентативность,содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность,точность, достоверность, устойчивость.

Репрезентативность информации связана с правильностьюее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта.

Содержательностьинформации отражаетсемантическую емкость, равную отношению количества семантической информации всообщении к объему обрабатываемых данных.

Достаточность(полнота) информацииозначает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильногорешения состав (набор показателей). Понятие полноты информации связано с еесмысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, т.е.недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информацияснижает эффективность принимаемых пользователем решений.

Доступность информации восприятию пользователяобеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения ипреобразования.

Актуальность информации определяется степеньюсохранения ценности информации для управления в момент ее использования изависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени,прошедшего с момента возникновения данной информации.

Своевременность информации означает ее поступлениене позже заранее назначенного момента времени, согласованного с временемрешения поставленной задачи.

Точность информации определяется степеньюблизости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явленияи т.п.

Достоверность информации определяется ее свойствомотражать реально существующие объекты с необходимой точностью.

Устойчивостьинформации отражаетее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушениянеобходимой точности.


39. Концепциисамоорганизации: синергетика

 

К установлению общеговзгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли различными путями. Авторсамого термина «синергетика» немецкий физик ГерманХакен исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходятв твердом лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную средурезонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться водной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, илисогласованное, взаимодействие, которое в конечном итоге приводит к ихкооперативному поведению.

Самоорганизация, по определению Хакена, — спонтанноеобразование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса,спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счетсовместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Хакенсчитает, что название новой дисциплины синергетикой обусловлено тем, что в нейисследуются совместные действия многих элементов систем, и для нахождения общихпринципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многихразличных дисциплин. Таким образом, при самоорганизации из хаоса порождаетсяпорядок. Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе,создание более сложных систем из более простых. Синергетика ввела случайностьна макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики длямикроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительностио взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. С точкизрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь изкинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия —понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчасможет пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидательновых структур.

Энтропия — это форма выражения количества связаннойэнергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества.

Синергетика отвечает навопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новыеструктуры, необходим приток энергии и обмен со средой. Если в эволюции небесныхтел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесстворчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности:энергия творит более высокие уровни организации.

Развитие понимается всинергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще несуществовало в природе и предсказать которое невозможно. Механизм, который еюпредлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации,экспоненциальный процесс до определенного момента. Основным понятием предстаетпонятие неустойчивости. Так из хаоса (неустойчивости)рождается космос. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной всинергетике. Первые частицы, которые появились, были нестабильнымиэлементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования.Затем они превратились в стабильные, существующие и поныне. Итак,последовательность рождения материи из вакуума: спонтанность флуктуации —>точка бифуркации —> черные мини-дыры —>пространство-время —> частицы.

Квантовый вакуумотличается от «ничто» тем, что имеет универсальные постоянные,которые могут служить аналогом всеединства. Размеры Вселенной растут поэкспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширенияВселенной при зарождении материи Вселенная приближается к первоначальномусостоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация.

Таким образом, есликибернетика решает проблему рождения разума, то синергетика — проблему рожденияматерии.

Необходимо подчеркнуть,что синергетика является научным направлением, изучающим открытые системы всостояниях, далеких от равновесия.

40. Искусственныйразум: перспективы развития

 

Искусственныйинтеллект:научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи программногомоделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционносчитаются интеллектуальными (например, представление знаний, обучение,обобщение и т.п.).

Интеллект — это способность решатьинтеллектуальные задачи путем приобретения, запоминания и целенаправленногопреобразования знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразнымобстоятельствам.

Нахождение решения задач,относящихся к интеллектуальным, являются для человека вполне естественным.Подобного рода деятельность требует участия интеллекта человека.

Возникает вопрос: «Можетли машина мыслить? Может машина рассуждать, догадываться и делать выводы?»

Искусственный разум,конечно, на сегодняшний день еще не создан, но программы, решающие интеллектуальныезадачи уже существуют.

То, что раньше казалосьвершиной человеческого творчества — игра в шахматы, на сегодняшний день даже неотносят к проблеме искусственного интеллекта. Человек в процессе игры в шахматыможет выбрать победную комбинацию интуитивно, причем иногда довольно быстро,даже не рассматривая заведомо ведущих к выигрышу вариантов. Как и почему этопроисходит, неясно пока даже крупнейшим специалистам по изучению человеческогоинтеллекта, и тем более непонятно, сможет ли когда-нибудь искусственный разумдействовать как человеческий? Решение этой задачи еще весьма далеко отзавершения. Поэтому почти все шахматные программы, созданные к сегодняшнемудню, построены на основе распространенного принципа решения компьютерных задач:последовательного перебора возможных вариантов.

Область искусственногоинтеллекта, нашедшее наиболее широкое применение — нейронные сети.Основная их особенность — это способность к самообучению на конкретныхпримерах.

Целесообразноиспользовать нейронные методы в заданиях, где много входных данных, в задачах:с неполной или «зашумленной» информацией, а также в таких, где решение можнонайти интуитивно.

Нейросети применяются дляпредсказания рынков, оптимизации товарных и денежных потоков, анализа иобобщения социологических опросов, предсказание динамики политическихрейтингов, оптимизации производственного процесса, комплексной диагностикикачества продукции и для многого другого.

Перспективыразвития.

Современное состояниеисследований в области искусственного интеллекта характеризуется развитиемследующих четырех глобальных направлений.

1. Во-первых, этонаправление, которое в самом широком смысле можно определить как проблемупредставления знаний и работы с ними. Сюда относятся задачи созданияспециальных языков для представления знаний в вычислительных машинах;программных и аппаратных средств для манипулирования знаниями, с пополнениембаз знаний, устранением в них противоречий; исследования в области созданияспециальных логик, позволяющих пополнять и обобщать сведения, хранимые в базезнаний (примеры — временная и пространственная логика, индуктивная логика дляпоиска закономерностей по набору конкретных примеров).

2. Второе глобальноенаправление, связанное с созданием и внедрением интеллектуальных систем,определяется как планирование целесообразного поведения. В рамках этогонаправления решается задача создания так называемого «интеллектуальногоинтерфейса». Речь идет о создании комплекса средств, которые позволили быв будущем ставить для машин задачи, не выходя за рамки профессионального языка,которым обычно пользуются специалисты в той или иной проблемной области. Втакой постановке задача планирования включает в себя проблемы, связанные как сформированием целей и их перестройкой, так и с созданием стратегий длядостижения этих целей на основе имеющейся в базе знаний информации.

3. Содержание третьегоглобального направления составляет цикл исследований по созданию средствкоммуникации, обеспечивающих общение человека и интеллектуальной системы наязыке, максимально приближенном к обычному естественному языку. Здесьисследуются различные модели синтаксиса и семантики естественных языков,способы хранения знаний о языке в памяти искусственных интеллектуальных систем,проблемы анализа и синтеза текстов и способы построения специализированныхлингвистических процессоров, осуществляющих перевод информации, содержащейся впоступающих в систему текстах, в те внутренние представления, на которыхстроится работа других подсистем.

4. Четвертое глобальноенаправление исследований связано с изучением поведения интеллектуальныхсистем. Здесь исследуются проблемы восприятия зрительной, акустическойинформации и информации других видов, поступающей из внешней среды, изучаютсяметоды ее обработки, формирования ответных реакций на воздействия среды испособов адаптации искусственных систем к среде путем обучения. В частности,достигнуты значительные успехи в области анализа трехмерных зрительных сцен,построения систем типа «глазрука» или в области формализации такихэлементов поведения, как эмоционально окрашенные поступки.

Выводы:

1) Искусственныйинтеллект, как область научных исследований, должен развиваться по путисоздания человеко-машинных систем.

2) Главной проблемой,требующей своего решения, является обеспечение общения человека с машиной наестественном языке. Решение этой проблемы зависит от координации усилий ученыхмногих специальностей.

еще рефераты
Еще работы по биологии