Габриелян Р.Г. Концепции современного естествознания - файл n1.doc

приобрести
Габриелян Р.Г. Концепции современного естествознания
скачать (1979.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1980kb.09.09.2012 02:34скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Московский региональный институт высшего

Социально-экономического образования


Р. Г. ГАБРИЕЛЯН


КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Учебное пособие

Часть I


Видное 2007

Рецензенты:

Лейбовский М.А. д.ф.-м.н., проф., декан информационных технологий

Экономики МПСИ
Завьялов М.А., д.т.н., проф. Кафедры естественно-научных дисциплин МРСЭИ


Печатается по решению научно-методического совета Московского регионального института высшего социально-экономического образования


Р. Г. Габриелян

Концепции современного естествознания.

Учебное пособие для студентов гуманитарных специальностей.
Предназначено для студентов гуманитарных специальностей, изучающих курс «Концепции современного естествознания»


У Габриелян Р.Г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 4
Глава I. Естествознание

2. Научный метод 6

3. История естествознания 11

4. Естествознание. Синергетика 25

5. Микромир, макромир и мегамир 35

Глава II. Концепции микромира

6. Квантовая механика 39

7. Химические элементы (атомы) 44

8. Химические соединения и реакции 48

9. Биологические объекты микромира 55

10. Специальная теория относительности 64

11. Строение атома и атомного ядра 69

12. Элементарные частицы 75
Литература 80

Контрольные экзаменационные и тестовые вопросы 81

§1. ВВЕДЕНИЕ
Естествознание является частью культуры в широком смысле этого слова. И поэтому ее изучение является необходимым для формирования личности. Оно расширяет горизонты мировоззрения людей, развивает их эрудицию и дает им необходимые в каждодневной жизни знания. Образованный человек должен знать о механической и вероятностной картине мира, о специальной и общей теории относительности, чтобы иметь более общее представление о Природе, знать, что есть микромир, который в корне отличается от окружающего нас мира, что есть объекты мегамира, которые искривляют пространство и замедляют время, что он живет в четырехмерном континууме и т.д.

С другой стороны любой человек, и в первую очередь управленец должен знать основное содержание естествознания и проблемы экологии, чтобы почувствовать себе ответственным за состояние биосферы. Знания необходимы для принятия правильных решений, особенно если они затрагивают состояние экосистемы.

В последнее время намечается конвергенция (сближение) естественнонаучной культуры с гуманитарной культурой. Это чрезвычайно важно, потому что есть определенное противостояние между носителями этих культур, накопленное годами. Сближение это проявляется как взаимодополнение инструментарий двух областей знания, проникновение естественнонаучных методов в гуманитарную область и проникновение целостного мировидения в естественнонаучную сферу. В связи с этим важно формирование естественнонаучного способа мышления у гуманитариев. Познание фундаментальных представлений о природе, научных методов естествознания, принципов глобального эволюционизма, синергетики и системного подхода поможет им при изучении общественных и гуманитарных наук.

Методологическим стержнем курса является эволюционно-синергетическая парадигма1[*], выдвигающаяся на передний план естествознания. Ее содержание предполагает органическое соединение принципов универсального эволюционизма и самоорганизации при рассмотрении тех или иных явлений и процессов материального мира. Важным принципом естествознания является системный подход, который подразумевает системный, целостный охват изучаемых явлений, с учетом их взаимосвязи и взаимодействия с другими явлениями и полноту полученных результатов.

Понятие концепция (от лат. conceptio – понимание, система) означает понимание, трактовка какого-то явления. Под концепциями естествознания понимают фундаментальные естественнонаучные представления, принципы, модели, которые проявляют себя во всех естественных науках. Дисциплина «Концепции современного естествознания» не просто является совокупностью избранных глав астрономии, физики, химии, биологии, геологии, а представляет собой переосмысление и систематизацию физических, химических и биологических теорий с точки зрения эволюционно-синергетической парадигмы и понимание Природы как единое целое.

ГЛАВА I. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
§2. НАУЧНЫЙ МЕТОД
Научное познание

Научное познание – это особая форма человеческой деятельности, направленная на познание мира. Как деятельность, познание опирается на определенные методы, которые называются общенаучными методами. Научный метод – это способ организации средств познания (приборов, инструментов, различных приемов, операций, логического мышления и т.д.) для достижения научной истины. Общенаучные методы классифицируются по признаку уровней научного познания. Различают два уровня научного познания мира: эмпирический и теоретический. За эмпирическим уровнем познания закрепилась функция сбора, накопления и первичной обработки данных, фактов. Кроме того, на эмпирическом уровне познания – как следствие обобщения научных фактов – возможно выявление некоторых эмпирических закономерностей. Построение теории и объяснение этой информации – функция теоретического уровня познания. С другой стороны эмпирические закономерности не открывают дальнейших направлений научного поиска. Эта задача также решается на теоретическом уровне познания.

Общенаучные методы

На эмпирическом уровне познания применяются следующие общенаучные методы - наблюдение, измерение, эксперимент, на теоретическом уровне познания – идеализация, формализация. Есть методы, например моделирование, которые применяются как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне познания.

Наблюдение – визуальное познание объектов и явлений окружающего нас мира.

Наблюдение в чистом виде – это метод исследования, при котором практически ученый не вмешивается в ход событий. Особенности научного наблюдения – целенаправленность, планомерность, избирательность, объективность, полнота, точность, однозначность. Для организации наблюдения сначала определяется цель, избирается объект наблюдения и составляется план. Наблюдение сопровождается описанием объекта познания в виде данных, текстов, рисунков, схем, графиков и т.д. Как правило, наблюдение было основным методом в первой стадии развития всех естественных наук, особенно в астрономии и биологии. Одной из основных задач биологии было и есть наблюдение за животным и растительным миром и их классификация. Метод наблюдения позволил астрономам накопить большую информацию о движения планет, о типах звезд по их яркости и т.д.

Измерение – это процесс определения количественных значений характеристик изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических средств.

Измерения могут проводить как исследователи, так и автоматизированные приборы. Например, в заряженных местах радиационный фон можно измерить автоматизированными устройствами; измерения на планетах осуществляется космическими аппаратами.

Результаты измерения даются в определенных единицах измерения, как правило, в международной системе единиц (СИ) измерения или их кратными. Международная система единиц была принята в 1960г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Она построена на базе семи основных единиц измерения (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан). С прогрессом науки усовершенствуются технические средства измерения, в частности, происходит компьютеризация этих средств.

Метод измерения широко применяется в физике и химии. В экспериментах физические величины измеряются с помощью таких физических приборов, как вольтметр, амперметр, дозиметр и т.д. В химической реакции измеряется концентрация отдельных реагентов реакции.

Эксперимент – активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей.

Эксперимент ставится для получения новых данных об объектах, о явлениях, для проверки какой-либо идеи, гипотезы, теории и т.д. Экспериментатор может в любой момент прервать эксперимент, изменить условия эксперимента, измерить новые величины и т.д. Эксперимент тесно связан с другим методом эмпирического познания – с измерением. Среди естественных наук эксперимент является основным методом научного познания в физике и химии. Известным примером физического эксперимента является опыт Майкельсона-Морли, где экспериментально было доказано, что скорость света в пустоте не зависит от скорости движения источников и приемников света. В химии в качестве такого примера можно привести эксперименты Аррениуса об изучения влияния температуры и концентрации реагентов на скорость химической реакции.

Главной особенностью эксперимента является его воспроизводимость. Это означает, что эксперимент может быть проведен столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов и не только в одной лаборатории или стране.

Процесс познания на теоретическом уровне начинается с выделением основных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта, оставляя в сторону менее существенные свойства, стороны, признаки. Такой подход называется абстрагированием (идеализацией).

Идеализация - мысленное изменение, упрощение изучаемого объекта, явления для определения основных свойств, сторон, закономерностей изучаемого объекта, явления.

Например, идеализированными являются материальная точка, замкнутая система, идеальный газ, гармонические колебания.

Идеализация позволяет исследователю фокусировать свое внимание на существенные стороны объекта, явления с целью выявления эмпирических закономерностей и построения теории. Для этого выделяется главный фактор модели и изучается влияние этого фактора на результат. Теория это, естественно, будет справедливо для идеализированных систем, но она может быть обобщена для более реальных систем.

В качестве применения этого метода приведем следующий пример. Сначала была построена теория идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона), которого в природе нет, а потом она была обобщена для реальных газов (уравнение Ван Дер Ваальса).

Определенным типом абстрагирования является мысленный эксперимент. Мысленный эксперимент позволяет понять важные особенности объекта, явления с помощью логического рассуждения. Этот метод, например, широко применяется в специальной и общей теории относительности.

Формализация – использование специальной символики для описания исследуемого объекта, явления, построения теории и объяснения явления.

Для формализации созданы искусственные языки: для физики – это математическая символика, для химии – химическая символика.

Основным преимуществом формализации является возможность записи физических законов в виде формул, химических соединений и реакций в виде химических символов и т.д. Подобные записи позволяют интерпретировать эмпирические данные, развивать теории, выводить новые выражения, получить частные данные и т.д. Подобными теориями являются классическая механика, общая теория относительности и другие.

Моделирование – метод научного познания, построенный на изучении не самих объектов, а их моделей.

Данные, полученные при изучении модели, с некоторыми поправками переносятся на реальный объект. Моделирование применяется в основном тогда, когда прямое изучение объекта либо невозможно (феномен «ядерной зимы»), либо связано с большими усилиями и затратами. Например, аэродинамические свойства новой конструкции самолета намного дешевле проверить на моделях. Модель может быть физической (другой аналогичный объект), математической (модель описывается теми же математическими соотношениями, что и оригинал) и числовой (компьютерное изучение математической модели).

Кроме этих методов, которые являются основными методами естественных наук, применяются также общенаучные методы познания: индукция – дедукция и анализ – синтез.

Индукция (от лат. inductio – наведение) – вид умозаключения от частного к общему.

В естествознании с помощью этого метода получаются общие выводы на основании частных посылок. Например, на основании многочисленных опытов на конкретных металлах была построена общая теория электропроводности, справедливая для всех металлов.

Дедукция (от лат. deductio – выведение) – вид умозаключения от общего к частному.

В естествознании с помощью этого метода получаются частные выводы на основании знания каких-то общих положений. Общая теория позволяет получить частные данные о других системах, получить новые данные, которые нужно экспериментально обнаружить. Из общей теории электропроводности металлов можно получить частные данные конкретного, плохо изученного металла и проверить их в экспериментах.

Индукция и дедукция являются взаимно дополняющими друг друга методами.

Анализ (от греч. analysis – разложение) – мысленное или реальное разложение исследуемого объекта на составные части (элементы, свойства, признаки).

Например, этим методом аналитическая химия изучает состав химических соединений.

Синтез (от греч. syntesis – соединение) – мысленное или реальное соединение различных элементов (свойств, признаков) исследуемого объекта в единое целое.

Например, целенаправленное получение различных продуктов с помощью химических реакций является примером химического синтеза.

Анализ и синтез выступают как единые, неразрывные методы научного познания. Они с успехом используются и в сфере мысленной деятельности человека.

Кроме этих общенаучных методов познания есть и другие, частные методы, которые используются только в рамках той или иной науки, того или иного раздела науки. Эти методы связаны со спецификой явлений, процессов данной науки, но они не являются общенаучными.

Все перечисленные общенаучные методы являются основными методами не только всех естественных наук, но и естествознания в целом.
? Вопросы.

  1. Что такое научное познание?

  2. Что такое научный метод?

  3. В чем функция эмпирического уровня научного познания?

  4. В чем функция теоретического уровня научного познания?

  5. Какой общенаучный метод называется наблюдением?

  6. Какой общенаучный метод называется измерением?

  7. Какой общенаучный метод называется экспериментом?

  8. Какой общенаучный метод называется идеализацией?

  9. Что такое мысленный эксперимент?

  10. Какой общенаучный метод называется формализацией?

  11. Какой общенаучный метод называется моделированием?

  12. Какой общенаучный метод называется индукцией?

  13. Какой общенаучный метод называется дедукцией?

  14. Какой общенаучный метод называется анализом?

  15. Какой общенаучный метод называется синтезом?



§3. ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Здесь не преследуется цель изложить полную историю естествознания. Для этого потребовалось бы включить в него большой объем конкретного фактического материала. Да и нет необходимости в этом. Здесь будут изложены основные факты, открытия, законы и теории (и связанные с ними даты и имена), которые играли решающую роль в развитии естественных наук.

Историю естествознания условно можно разделить на три этапа: натурфилософия, естественные науки и естествознание.

Натурфилософия

С античных времен (Египет, Вавилон, Древняя Греция) до XVI столетия в рамках натурфилософии (от лат. nature – природа) на основе наблюдений формировались представления об окружающем мире как о едином целом. Натурфилософия явилась в истории человечества первой формой существования естествознания и была неразделима с философией в целом.

Египтяне в IV тысячелетии до н.э. создали календарь, согласно которой год делился на 365 дней, месяц на 30 дней, а в году было 12 месяцев и 5 дней. Сутки делились на 24 часа. Египтяне во II тысячелетии до н.э. знали про железо, в качестве драгоценного металла, соль, соду, известь, клей и жиры. Химические свойства веществ использовались в процессе мумификации фараонов, в косметике. В строительстве использовались рычаги и наклонные плоскости.

Вавилоняне в VIII веке до н.э. знали о 5 планетах (от Меркурия до Сатурна), не считая нашу планету. Неделя у вавилонян состояла из 7 дней.

Дальнейшее развитие и процветание натурфилософия получила в Древней Греции. В V веке Фалес впервые обнаружил, что янтарь, натертый материей, притягивает легкие предметы, а некоторые руда притягивают железные опилки. Слово янтарь на греческом языке означает электрон, оттуда и термины электрон, электричество и другие слова, связанные с электричеством. Фалес сумел предсказать солнечное затмение в 585г. до н.э. Анаксимандр, ученик Фалеса считал развитие живого мира эволюционным процессом. Ученик Анаксимандра Анаксимен считал, что звезды находятся дальше планет, состоят из огня, но мы не ощущаем это тепло из-за большого их удаления.

По Демокриту (V век до н.э.), атомы (от греч. atomos - неделимый) составляют материальную основу Вселенной. Все предметы состоят из атомов, которые находятся в непрерывном движении. Первые попытки систематизации животного и растительного мира были предприняты Аристотелем (IV век до н.э.). Он описал более 450 форм, разделив их на 2 большие группы — животных, снабженных кровью (позвоночные, по современным представлениям), и бескровных (беспозвоночные, в современном понимании). Животные с кровью в свою очередь были разделены им на группы, приблизительно отвечающие современным классам. В отношении беспозвоночных система Аристотеля была менее совершенна.

Архимед (III век до н.э.) вывел законы о рычаге, о плавучести тел и выталкивания тел жидкостью (закон Архимеда). Согласно закону Архимеда на погруженное в жидкости (в газе) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (газа) с объемом погруженного тела. Сила эта называется архимедовой силой. Аристарх Самосский в III век до н.э. выдвинул идею об устройстве мира, в центре которого находится Солнце.

Греческий астроном Птолемей (Александрия, II век н.э.) составил каталог более 1000 звезд, разделенных на классы по видимому блеску и цвету. Он открыл закон зеркального отражения света, описал явление преломления световых лучей и нашел эмпирическую зависимость угла преломления от угла падения лучей. На идеях Аристотеля и Птолемея возникла система устройства мира – геоцентрическая система мира, согласно которой в центре мира находится неподвижная Земля, а вокруг него вращаются прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены Солнце, звезды и планеты.

Как геоцентрическая система мира, так и все остальные представления натурфилософии были доминирующие вплоть до эпохи Возрождения. Это в первую очередь была связана с доминирующей ролью церкви в сознании людей. Немаловажную роль сыграл и безоговорочный авторитет Аристотеля.
Естественные науки

В эпоху Возрождения и в Новое время произошла дифференциация натурфилософии на отдельные естественные науки, такие как астрономия, физика, химия, биология, геология и т.д., каждая со своим предметом исследования. Выделение физики, химии или биологии в отдельные науки и их интенсивное развитие было связано с новыми потребностями цивилизации, производства.

Первые успехи научного познания связаны с астрономией.

Астрономия (от греч. astron – звезда и nomos - закон) – это наука о строении и развития космических тел, образованных ими систем и Вселенной в целом.

В 1543г. польский астроном Николай Коперник в своей книге «Об обращениях небесных сфер» предложил новую систему устройства мира - гелиоцентрическую систему мира. Согласно этой системе Солнце находится в центре Вселенной, а вокруг него вращаются планеты. Для разрушения представлений и систем натурфилософии она стала революционной идеей. Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившийся жизнью на костре за свои убеждения, был итальянский астроном Джордано Бруно (XVI век). Он пошел дальше в этом направлении, отрицал наличие центра Вселенной вообще и отстаивал тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобно Солнцу, и окружающих его планетах.

Справедливость гелиоцентрической системы мира убедительно доказали итальянский физик Галилео Галилей (XVII век) на основе наблюдений, созданным им телескопом с 32-кратным увеличением и немецкий астроном Иоганн Кеплер (XVII век), открыв 3 закона вращения планет вокруг Солнца. Законы Кеплера стали основой небесной механики. Из этих законов можно было определить кинематические величины и форму орбит вращения планет. В дальнейшем после открытия английским физиком Исааком Ньютоном (XVII-XVIII вв.) закона Всемирного тяготения тел стало возможным объяснить вращение планет вокруг Солнца, а законы Кеплера были выведены теоретически.

Дальнейшие успехи астрофизики связаны с созданием общей теории относительности (теорией гравитации) физиком Альбертом Эйнштейном (1916г.). В 1922г. советским математиком Александром Фридманом была предложена модель расширяющейся неравновесной Вселенной, вытекающей из общей теории относительности. Эта модель была экспериментально подтверждена американским астрономом Эрвином Хабблом (1929г.) с помощью построенного им 2,5-метрового телескопа-рефлектора. Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, и чем дальше удаляются галактики, тем быстрее они двигаются. Из этой модели следует теория Большого взрыва, который произошел примерно 13,7 млрд. лет назад и теория эволюции Вселенной, которая продолжается до сих пор. В 1946г. американский физик Георгий Гамов заложил основы модели «горячей Вселенной».

Другой наукой, отделившаяся от натурфилософии, была физика.

Физика (от греч. physis – природа) – наука о природе, изучающая общие свойства материального мира.

Базу для создания физики создал Галилей, открыв закон свободного падения тел и предложив принцип относительности, который стал фундаментальным принципом классической механики. Закон свободного падения гласит: в пустоте все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их масс, форм и размеров тел. Ускорение это вблизи поверхности Земли составляет 9,8 м/с2. Согласно принципу относительности Галилея все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных систем отсчета. Инерциальными называются системы отсчета, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, т.е. с постоянной скоростью. Принцип относительности дополняются преобразованиями Галилея

; ; ; ,

откуда, в частности, следует, что время независимая от пространства величина.

Основателем классической механики считается Ньютон, который в своей основной работе «Математические начала натурфилософии» сформулировал 3 основные закона механики. Он получил уравнение движения материальной точки с массой m под действие силы F(t) (для простоты уравнение движения приводится при движении тел вдоль оси OX):

,

где вторая производная координаты движения по времени – это ускорение движения.

Кроме создания классической механики Ньютон открыл также закон дисперсии света, экспериментально доказав, что белый свет представляет совокупность разноцветных излучений. Он направил узкий пучок светового излучения на призму и за призмой получил спектр излучения. Разложение белого света на разноцветный спектр объясняется зависимостью угла преломления лучей от их частоты (или длины волны), который характеризует энергию (цвет) излучения. Примером дисперсии света является появление радуги после дождя в солнечный день, из-за преломления света в каплях дождя и многие другие явления в небосводе

Ньютон трактовал взаимодействие между телами в рамках дальнодействия, когда взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство и мгновенно. Начиная с этого времени и до конца XIX века, в физике господствовала механистическая картина мира. Все явления попытались объяснить с механистической точки зрения.

Особенностью классической механики является свойство детерминизма, согласно которого знание начального состояния системы позволяет найти состояние системы в произвольный момент времени в будущем и в прошлом. Это свойство позволяет, в частности, предсказать солнечные и лунные затмения в будущем и в прошлом.

Согласно классической механике пространство абсолютное и остается всегда одинаковым и неподвижным, а время абсолютное и протекает равномерно.

Революционным открытием физики, а также других наук, стало открытие закона сохранения энергии немецким врачом Юлиусом Майером, английским физиком Джеймсом Джоулем и немецким физиком Германом Гельмгольцем (XIX век) независимо друг от друга. Согласно закону энергия замкнутой системы сохраняется, она может только переходить из одной формы в другую. Этот закон формулируется как первый закон термодинамики следующим образом. Количество теплоты Q, переданное системе, затрачивается на изменение ее внутренней энергии ?U и на совершение системой работы A (Q = ?U + A). В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус открыл второй закон термодинамики об энтропии. Законы термодинамики являются базовыми для естествознания.

В XIX веке усилиями французского физика Шарля Кулона, английских физиков Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла была создана теория электромагнетизма. Это фактически была новая электромагнитная картина мира, обогатившая существующую механическую картину мира. Одним из успехов теории электромагнетизма было то, что из нее следовало концепция близкодействия, когда взаимодействие между телами осуществляется через какое-то физическое поле, созданное этими телами. В природе существуют четыре типа фундаментальных взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое, и концепция близкодействия справедливо для всех этих взаимодействий.

Уравнения электромагнетизма Максвелла дали Эйнштейну идею о создания специальной теории относительности (1905г.). Уравнения Максвелла инвариантны относительно скорости распространения электромагнитного излучения в пустоте, откуда вытекала, что эта скорость фундаментальная постоянная. В дальнейшем (1916г.) Эйнштейн создал общую теорию относительности (теорию гравитации).

В 1918г. Немецкий математик Эмми Нетер открыла принцип симметрии, согласно которой, если свойства системы не меняются при каком-то преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины. Из однородности времени вытекает закон сохранения энергии, из однородности пространства – закон сохранения импульса и из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса. Законы сохранения импульса2[†] и момента импульса3[‡] гласят: в замкнутых системах суммарный импульс и суммарный момент импульса системы при взаимодействии сохраняются. Если до взаимодействия и после системы состоит из двух тел, то эти законы имеют вид:

, ,

где ,и ,- импульсы и моменты импульса двух тел до взаимодействия и после взаимодействия (например, после столкновения двух бильярдных шаров).

Для физики XX века поворотным стала гипотеза Макса Планка о кванте (1900г.), согласно которой вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, чем конечными порциями (квантами*). Эту гипотезу применил Эйнштейн для объяснения явления фотоэффекта – выбивание электронов из кристаллов световым излучением, тем самым доказав справедливость гипотезы Планка. В начале XX века стало ясно, что классическая механика не может объяснить объекты и явления микромира и усилиями датского физика Нильса Бора, австрийского физика Эрвина Шредингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга была создана новая наука – квантовая механика. Другими словами была создана новая картина мира – вероятностная картина микромира.

Одним из главных направлений физики XX века была физика элементарных частиц. Первой элементарной частицей, открывшей в 1897г. английским физиком Джеймсом Томсоном, был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда – е: . Учитывая то обстоятельство, что мельчайшая частица материи атом не имеет электрического заряда, была выдвинута идея о существовании положительно заряженной частицы протона с зарядом + е, которого в 1919г. обнаружил английский физик Эрнст Резерфорд. Он экспериментально доказал, что протоны находятся в центре атома, а электроны вращаются вокруг этого центра (ядра), т.е. он дал строение атома. Следующим шагом было открытие нейтрона английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932г. Нейтрон не имеет электрического заряда и, как и протон, входит в состав атомного ядра. Следующей элементарной частицей был выдвинутый Планком кварк, который был обнаружен в ряде экспериментов. В дальнейшем в космических лучах и, особенно, в ускорителях лавинообразно были открыты сотни элементарных частиц.

В настоящее время насчитывается более 350 элементарных частиц и примерно столько же античастиц. Учитывая такое количество частиц, был построен соответствующий классификатор. Большинство элементарных частиц оказались нестабильными, т.е. через какое-то время они распадаются на другие частицы. Была выдвинута идея о том, что эти частицы состоят из других элементарных частиц – кварков. Элементарные частицы участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях – в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях. И одним из фундаментальных проблем физики является великое объединение этих 4 типов взаимодействий.

Следующей наукой, отделившаяся от натурфилософии, была химия.

Химия (от греч. Chemia, одного из старых названий Египта) – наука, изучающая строение и превращения веществ.

Основная задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

Химия позволяет получить материалы с заранее заданными свойствами. Для промышленности химия поставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна, для сельского хозяйства – минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, для домашнего хозяйства – моющие средства, краски, аэрозоли и другие.

Первой формой существования химии явилась алхимия, целью которой было отыскание философского камня для получения с его помощью золота. В XVI столетии возникло новое направление химии – натрохимия, целью которой было отыскание «эликсира молодости». Алхимики не достигли своей цели, но при этом получили несколько важных веществ, которые помогли становлению химии. Но только трудами английского химика Роберта Бойля (XVII век) химия стала наукой. Эта наука сейчас называется первым концептуальным уровнем химии – учение о составе, который изучает химические элементы и химические соединения. Именно Бойлю принадлежат первые представления о химических элементах и химических соединений. Согласно Бойлю химический элемент это то, что дальше не делится, что не соответствует действительности, а характерной чертой химического соединения он считал то, что их химические свойства исчезают при делении их на составные части.

Дальнейшее развитие химии связано с именем французского химика Антуана Лавуазье (XVIII век); он поставил химию на количественную основу. Ему принадлежит первая попытка систематизации химических элементов. Лавуазье строго придерживался принципа, что при химических процессах ничто не возникает и ничто не исчезает, а суммарная масса всех участвующих в процессе веществ остается неизменной.

Для определения строений химических соединений основополагающими стали закон постоянства состава (французский химик Жозеф Пруст, 1800г.) и закон кратных отношений (английский химик Джон Дальтон, 1803г.). Согласно закону постоянства состава вещества имеют постоянный состав, независимо от способов их получения. В дальнейшем было показано, что состав кристаллических состояний может быть и переменным. Согласно закону кратных отношений, если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента относятся как целые числа, при одинаковой массе другого. Иллюстрацией этого закона являются молекулы N2O, NO, N2O3, N2O4, N2O5, в которых массы кислорода относятся как 1:2:3:4:5 при одинаковой массе азота. Дальтон показал, что атомы разных химических веществ объединяются в молекулы в процессе химических реакций, при этом все молекулы чистых веществ построены одинаково и определяют химические свойства вещества. Он впервые ввел в обиход химические символы: символ водорода - H, символ кислорода – O и т.д. Имя Дальтона широко известно по описанной им цветовой слепоте, называемой дальтонизмом.

Следующие успехи химии связаны с введением относительных атомных и молекулярных масс, а также открытием закона Авогадро (итальянский химик Амедео Авогадро, 1811г.). Относительной атомной (или молекулярной) массой называется масса атома (или молекулы) в единицах 1/12 части массы атома углерода. Эта единица называется атомной единицей массы и составляет 1 а.е.м. = 1,66Ч10-27 кг. В частности, относительная молекулярная масса воды составляет 18 а.е.м. Согласно закону Авогадро 1 моль любого вещества содержит одинаковое количество атомов (молекул), равное постоянной Авогадро (NA = 6Ч1023 моль- 1).

В 1869г. российский химик Дмитрий Менделеев открыл периодический закон химических элементов, расположив их в системе по росту массового числа4[§]. Современная формулировка этого закона следующая. Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер. Система, построенная Менделеевым, называется периодической системой химических элементов. В то время было открыто всего 62 химических элементов. Вскоре были открыты новые элементы галлий, скандий и германий, существование которых следовало из этой системы. В периодической системе химических элементов на их местах оказались пустые клетки. Вместе с тем Менделеев не смог объяснить природу периодического закона химических элементов. Это объяснение дается в рамках квантовой механики.

В XIX столетии развилось представление о химических связях, о валентности и структуре молекул, о химических реакциях. Возникла структурная химия – второй концептуальный уровень химии. Структурная химия изучает химические реакции и реакционную способность отдельных фрагментов соединений. Здесь следует отметить работы шведского физика Сванте Аррениуса по изучению скорости химической реакции.

К концу XIX столетия достижения органического синтеза существенно изменили жизнь людей. Хотя химический катализ появился еще в 1812г. после открытия немецким физиком Густавом Кирхгофом, активное его использование происходит в XX столетии. Во второй половине XX столетия химия перешла к исследованию химических процессов и их управлением. Соответствующий концептуальный уровень химии известен под названиями учение о химических процессах.

С помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ, в том числе живой клетки. В итоге были развиты такие науки, как химическая кинетика и химическая термодинамика*, ставшие базовые для нового уровня химии. Большинство совершенных химических технологий реализуются и с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в ходе химической реакции. На арену появился четвертый концептуальный уровень химии – эволюционная химия, которая изучает закономерности самопроизвольного синтеза новых химических высокоорганизованных соединений.

Следующей наукой, отделившаяся от натурфилософии, была биология.

Биология (от греч. bios – жизнь, logos – учение) – учение о живой природе.

Биология вначале была чисто описательной наукой, развиваясь по схеме наблюдение, описание, классификация. Наиболее удачную систему классификации растительного и животного мира впервые создал шведский натуралист Карл Линней (XVIII в.), разделив все многообразие растений и животных на группы – таксоны, построив иерархию подчиненности: классы, отряды, роды, виды. При построении системы учитывались сходства и различия в строении и поведении животных и растений. Общее число видов животных превышало 4200 (в том числе 1222 видов позвоночных и 1936 видов насекомых). Система Линнея в дальнейшем была усовершенствована. Значительный шаг вперёд в этом направлении сделали французский естествоиспытатель Жан Ламарк и французский зоолог Жорж Кювье.

В 1809г. Ламарк выдвинул теорию эволюции, согласно которой эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды. Так он объяснил появление шеи у жирафа, хобота у слона и т.д. Но эволюционная теория, как теория постепенного преобразования, наиболее последовательно была сформулирована английским естествоиспытателем Чарльзом Дарвином (1859г.). Согласно Дарвину движущимися силами эволюции являются изменчивость, наследственность и естественный отбор.

В 30-х годах XIX века немецкий ботаник Матиас Шлейден и немецкий физиолог Теодор Шванн построили клеточную теорию растений и животных.

Австрийский ботаник Грегор Мендель в 1865г. открыл дискретные наследственные факторы (гены), проводя опыты по скрещиванию сортов гороха. Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, он получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении – ј морщинистых семян. Это было обусловлено тем, что у гибрида проявлялся один признак – гладкость, а другой признак оставался в скрытом состоянии. В следующем поколении скрытый признак проявлялся и гладкость – морщинистость распределялись в соотношении 3:1. Американский биолог Томас Морган установил, что гены находятся в хромосомах – структурных элементах клеточного ядра и обосновал хромосомную теорию наследственности.

Интенсивные экспериментальные исследования и фронтальное накопление эмпирического материла (обосновано представление о гене и хромосомах как носителях генов, получено представление о линейном расположении генов, доказано существование мутаций и возможность вызывать их искусственно и ряд других фактов) в первой четверти XX в. дали импульс развитию генетики5[**].

Основу теории генетики составляет ряд ключевых обобщений: во-первых, наследственный фактор локализован в хромосомах клеток; во-вторых, преемственность наследственных свойств организма определяется преемственностью хромосом; в-третьих, для нормального развития особи необходимо наличие всех хромосом, присущих данному виду; в-четвертых, в клетках тела (сомы) содержится диплоидный набор хромосом (один — от отца, другой - от матери); в мейозе (особый способ деления клетки) происходит уменьшение (редукция) числа хромосом и переход клеток из диплоидного в гаплоидное состояние, свойственное зародышевым клеткам.

Генетика не опровергала дарвинизм, наоборот, становилось все более очевидно, что генетика дополняет дарвинизм и восполняет главный его пробел, т.е. объясняет сущность неопределенной изменчивости. Важнейшим событием биологии явилось создание синтетической теории эволюции - первого глубокого синтеза классического дарвинизма, генетики, палеонтологии и экологии. Было доказано, что образование нового вида обусловлено мутацией в популяциях, полной изоляцией популяции и естественным отбором.

В 1944г. американскими биохимиками (О.Эвери, С.Маклеод и М.Маккарти) было установлено, что носителем наследственности является дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК. Слово нуклеиновая закрепилось за этой молекулой из-за того, что она была выделена из ядра (от англ. nucley - ядро) клетки. В 1953г. английский биофизик Фрэнсис Крик и американский биохимик Джеймс Уотсон расшифровали структуру ДНК, через которую осуществляется механизм наследственности. Далее были получены другие важнейшие результаты: выяснена роль транспортной РНК и информационной РНК; расшифрован генетический код; осуществлен синтез гена; теоретически решена проблема биосинтеза белка; расшифрована аминокислотная последовательность многих белков; выявлены принцип и особенности функционирования ферментов и т.д.

1972 год считается датой рождения генной инженерии6[††], так как в Стенфордском университете американские биохимики П.Берг, С.Коэн и Х.Бойер создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК разных биологических объектов.

В 1986г. группа ученых в США начала работу над проектом «Геном человека». Цель этого проекта заключалась в том, чтобы представить в виде карты полную последовательность (геном) ДНК человека. В 2000г. Американские биологи Крэйг Вентер и Фрэнсис Коллинз сообщили об успешном завершении расшифровки генома человека.

В 2006г. американским биологам Эндрю Файеру и Крэйгу Мэллоу удалось «заглушить», «нейтрализовать» отдельные гены на этапе синтезирования белков и передачи генетической информации. Был проведен опыт на животных с «заглушением» гена, «ответственного» за высокий уровень холестерина в крови.

Естествознание

В XX веке начался процесс интеграции естественных наук физики, химии, биологии, геологии. Доказательством сказанного является появление таких наук как: биофизика, физхимия, геофизика, астрофизика, биохимия, молекулярная биология, геохимия, физико-химическая биология и т.д. При этом появилась и общая основа интеграционной науки – это эволюционно-синергетическая парадигма. В результате интеграции естественных наук появилось естествознание, как наука о природе и которая еще находится в процессе развития. Базовыми теориями естествознания являются неравновесная термодинамика, разработанной бельгийским физиком Ильей Пригожином и синергетика, выдвинутой немецким физиком Германом Хакеном.
? Вопросы:

  1. В античности как называлась первая стадия естествознания?

  2. Когда произошла дифференциация естественных наук?

  3. Что изучает астрономия?

  4. В чем суть гелиоцентрической системы устройства мира?

  5. Что изучает физика?

  6. Что гласит закон свободного падения тел?

  7. В чем суть принципа относительности Галилея?

  8. Какие системы отсчета называются инерциальными?

  9. В чем суть закона дисперсии света?

  10. Что означает дальнодействие?

  11. Что означает детерминизм?

  12. Что гласит закон сохранения энергии?

  13. Что означает близкодействие?

  14. Какие фундаментальные взаимодействия есть в природе?

  15. В чем суть принципа симметрии?

  16. Что такое квант?

  17. В чем суть фотоэффекта?

  18. Что изучает химия?

  19. Что гласит закон постоянства состава?

  20. Что гласит закон кратных отношений?

  21. Что гласит закон Авогадро?

  22. Что такое относительная атомная (молекулярная) масса?

  23. Что гласит периодический закон химических элементов?

  24. Какие факторы являются движущимися силами эволюции согласно Дарвину?

  25. Что за наука генетика?

  26. Что такое генная инженерия?


Задача 1. Сколько световых квантов излучает лампа с мощностью 60 Вт за с? Энергию кванта принимать равной 2,5 эВ.

Задача 2. Как относятся массы кислорода в химических соединениях FeO и Fe2O3 при одинаковой массе Fe?

Задача 3. Определить относительную молекулярную массу углекислого газа CO2.

Задача 4. Посланный вверх снаряд взорвался в максимальной точке своей траектории. Найти отношение скоростей двух образованных осколков, если масса одного три раза больше другого.


§4. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. СИНЕРГЕТИКА
Естествознание

Естествознание – это наука, изучающая Природу как единое целое.

За основу объединения разных естественных наук выбран системный подход и глобальный эволюционизм. Системный подход подразумевает системный, целостный охват изучаемых явлений, с учетом их взаимосвязи и взаимодействия с другими явлениями и полноту полученных результатов.

Принцип глобального эволюционизма означает, что Вселенная в целом и все ее структурные элементы постоянно развиваются.

Вселенная расширяется, она имела начало во времени (Большой взрыв) и эволюционирует во времени уже 10-20 млрд. лет. В модели развивающейся Вселенной после Большого взрыва во Вселенной было горячо, были одни протоны, нейтроны и электроны. По мере понижения температуры произошла организация атомов от элементарных частиц, потом появились звезды, галактики и галактические системы. И этот процесс до сих пор продолжается. Т.е. материя способна самоорганизовываться, самоусложняться.

Весь химический мир тоже появился в результате эволюции. После Большого взрыва эволюция протекала по следующему сценарию, сначала синтезировались атомы водорода и гелия, потом и другие химические элементы и соединения. В настоящее время известно 118 химических элементов (атомов) и 8 миллионов химических соединений, из которых 96% органических химических соединений.

В результате эволюции из более ста химических элементов только 6 стали структурными единицами всего живого. Эти 6 химических элементов называются органогенами, это углерод (С), водород (H), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S). Их общая доля в живых организмах составляет 97,4%. Еще 12 элементов составляют примерно 1,6%. Это означает, что в результате эволюции произошел отбор тех элементов, которые дают преимущества при переходе на более высокий уровень упорядоченности вещества, по крайней мере, в условиях Земли.

Механизм отбора просматривается и при сборке белков, из миллионов органических соединений при сборке участвовали только несколько сотен, из более ста аминокислот участвовали только двадцать. То же самое относится и отбора лишь четырех нуклеотидов, которые лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Биосфера, все виды животного и растительного мира тоже результат эволюции. Синтетическая теория эволюции объяснят эту эволюцию, как на уровне популяций, так и на надвидовых уровнях.

Наконец, результатом эволюции является самый высокоорганизованный вид на Земле homo sapiens – человек разумный.

Необходимым условием эволюции, т.е. образования высокоупорядоченных структур из менее упорядоченных, является открытость системы. Открытой называется система, которая обменивается с окружающей средой энергией, веществом или информацией. Примерами открытых систем являются живая клетка, живой организм, биосфера и т.д. В противном случае, когда нет обмена энергией, веществом или информацией с окружающей средой, система называется замкнутой. Замкнутой системе, согласно равновесной термодинамике, присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности. Таким образом, теория эволюции и модель расширяющейся Вселенной не согласуются с равновесной термодинамикой.

Другим важным принципом естествознания является принцип относительности естествознания – обобщение принципа относительности Галилея. Во всех инерциальных системах отсчета, все физические, химические и биологические процессы протекают одинаково.

Термодинамика

Термодинамической системой называется система, состоящая из большого количества молекул (атомов), которые совершают тепловые движения и обмениваются энергиями, взаимодействую между собой.

Все тела, органические или неорганические, в том числе Земля являются примерами термодинамических систем. Поэтому термодинамика является базовой теорией естествознания.

Протекающие в термодинамической системе процессы делятся на обратимые и необратимые. Обратимым называется такой процесс, при котором возможен обратный переход системы из конечного состояния в начальное, через те же промежуточные состояния, так чтобы в окружающей среде не произошло никакого изменения. Примером обратимых процессов являются гармонические колебания маятника.

Необратимым называется процесс, сопровождаемый трением или теплопередачей от нагретого тела к холодному. Необратимые процессы протекают в одном направлении, оттуда и название процесса. Все реальные процессы в природе необратимые. Примером необратимых процессов являются маятник с трением, расширение газа, диффузия и др.

Все термодинамические системы и процессы подчиняются законам термодинамики. В термодинамических системах действуют 3 законы термодинамики. Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии. Количество теплоты Q, переданное системе, затрачивается на изменение ее внутренней энергии ?U и на совершение системой работы A (Q = ?U + A). Этот закон является фундаментальным для всего естествознания.

Второй закон термодинамики – это закон об энтропии. Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера вероятности пребывания термодинамической системы в данном состоянии. Энтропия является количественной мерой упорядоченности системы. Чем выше степень упорядоченности системы, тем меньше энтропия системы. Понятие энтропии широко пользуется в физике, химии, биологии и теории информации.

Второй закон термодинамики гласит: в замкнутых системах энтропия остается неизменной (DS = 0) в случае обратимых процессов и возрастает (DS > 0) в случае необратимых процессов и в состоянии равновесия достигает максимума. Изменение ?S энтропии в равновесном процессе равно отношению количества теплоты Q, сообщенного системе или отведенного от нее, к температуре T системы.

При неупругом столкновении часть кинетической энергии переходит во внутреннюю энергию, вследствие чего состояние упорядоченного движения молекул переходит в бесконечное движение с большой вероятностью. Любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальным статистическим весом W, соответствующему состоянию хаоса (S = klnW – формула Больцмана, k - постоянная Больцмана: ). Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения (состояние хаоса).

Второй закон термодинамики для открытых систем в корне отличается от этого закона для замкнутых систем. Открытая система получает от нагревателя некоторые количество теплоты Q1, отдает холодильнику теплоту Q2 и при этом совершает какую-то «полезную работу». При этом изменение энтропии открытой системы в соответствие с формулой Клазиуса DS і Q1/T1 – Q2/T2 < 0 уменьшается. Земля от Солнца в виде излучения за 1 с получает энергию 1,73·1017 Дж, примерно 70% которого поглощается и переходит в тепло, которое излучается в космическое пространство в инфракрасном диапазоне. Так как Q1 = 1,73·1017 Дж, Q2 = 1,21·1017 Дж, T1 = 6259 К, T2 = 277 К, то изменение энтропии Земли равно DS = – 4·1014 Дж/К. Для поддержания своей энтропии на низком уровне открытая система отдает тепловую энергию в окружающую среду. Другими словами энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого нашей планетой.

Таким образом, в открытых системах энтропия уменьшается, а это означает, что из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные состояния.

Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации.

Самоорганизация – это спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или из хаоса за счет внутренней перестройки открытой системы.

Объекты самоорганизации должны быть 1) открытыми, т.е. обмениваться веществом, энергией или информацией с внешней средой и 2) неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний.

Неравновесная термодинамика

К принципам самоорганизации привела неравновесная термодинамика Пригожина, но сегодня ясно, что эти принципы могут быть распространены на явления, проходящие в самых различных сферах – от химических реакций до процессов в обществе.

Допустим, в открытой системе установился режим, когда она получает поток энергии (нагревание, солнечное излучение и т.д.). Этот режим называется стационарным состоянием, отличным от равновесия. В подобных стационарных состояниях характеристики системы не зависят от времени, в частности, энтропия S тоже постоянная. Но так как извне поступает отрицательная энтропия (негэнтропия, т.е. суммарное изменение энтропии меньше нуля), то для поддержания энтропии система сама производит энтропию, В таких состояниях производство энтропии согласно Пригожину минимальное.

Если какие-то граничные условия не позволяют системе придти к устойчивому равновесию, где DS = 0, то она приходит в состояние с минимальным производством энтропии.

Внутреннее производство энтропии за единицу времени в единице объема в открытых системах называется функцией диссипации (от лат. dissipatio - рассеяние), а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля - диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходят в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло и рассеивается в окружающую среду. Практически все системы такие, поскольку трение и силы сопротивления приводят к диссипации энергии.

Суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой, при определенных условиях, может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость неупорядоченного однородного состояния, при этом на макроскопическом уровне могут возникнуть крупномасштабные флуктуации. Т.е. из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы.

Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Под действием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических высокоупорядоченных структур.

Синергетика

Теорией самоорганизации является синергетика (от греч. synergeticos – сотрудничество, совместное действие), развитой Хакеном. Это название связано с тем, что самоорганизация происходит за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем.

Синергетика – это наука о необратимых, нелинейных процессах самоорганизации.

Синергетика изучает связи между подсистемами открытой системы, которые образуются благодаря обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях.

Согласно Хакену процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм протекания, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Это означает, что синергетика предлагает универсальный механизм, с помощью которого осуществляется самоорганизация, как в живой, так и неживой природе. В этом смысле синергетика является интегрирующим фактором физики, химии, биологии, геологии и астрономии.

Согласно синергетике развитие открытых и неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядочения. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:

1) Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему в некоторое неустойчивое критическое состояние.

2) Выход из критического состояния скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важной особенностью является то, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из нескольких возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке происходит бифуркация (от лат. bifurcus – раздвоение), т.е. эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай. Но после того как «выбор» сделан, и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Другими словами процесс развития открытых неравновесных систем необратим, т.е. эволюция необратима.

Примеры самоорганизации

Наглядными примерами самоорганизации являются явление в гидродинамике, названное образованием ячеек Бенара, эффект Белоусова-Жаботинского в химии, лазер и рост кристаллов в физике и т.д.

Ячейки Бенара

При подогреве ртути (или другой вязкой жидкости), находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температуры. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне, происходит только передача тепла путем теплопроводности, и никакого макроскопического движения не происходит. С повышением температуры жидкость переходит в неустойчивое состояние. Из-за сил тяжести и Архимеда слои жидкости уже готовы перемешиваться. Наконец при достижении градиента температуры некоторого критического значения, в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение (макроскопические флуктуации). В жидкости возникает упорядоченное конвективное движение – передачи тепла за счет движения молекул среды вверх и вниз. На поверхности жидкости образуются четко выраженные структуры в виде шестигранных призм (рис. 1), при этом внутри ячеек более теплая жидкость поднимается вверх, а по краям более холодная опускается вниз.



Рис.1. Ячейки Бенара
Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. Причем она не распадается при соответствующем притоке энергии.

В процессе образования упорядоченных структур энтропия системы уменьшается, потому что система передает примерно столько тепла в окружающую среду, сколько принимает (Q= Q2 = Q), а температура системы T1 больше температуры окружающей среды T2. И в самом деле, по формуле Клазиуса изменение энтропии отрицательное: DS і Q/T1 – Q/T2 < 0.

Эффект Белоусова-Жаботинского

Эффект Белоусова-Жаботинского является еще одним примером зарождения и исчезновения диссипативных структур. В 1951г. Б.Белоусов изучил промежуточную стадию механизма одной химической реакции. Он проводил исследование каталитического (катализатором являются ионы церия) окисления (сопровождающегося потерей электронов молекулами) лимонной кислоты броматом калия. Реакция протекала в водном растворе при избыточном содержании протонов, т.е. в кислой среде, в присутствии ионов церия Ce3+, которые играли двойственную роль, они одновременно и катализаторы и окрашенные индикаторы реакции. Концентрацию веществ, подводимых к сосуду, можно было регулировать. Гомогенный раствор с большой точностью, зависящей от концентрации исходных компонентов, изменял окраску от бесцветной (ионы Ce3+) к желтой (ионы Ce4+) и далее снова к бесцветной. В зависимости от соотношений концентраций Ce4+/Ce3+ во времени наблюдается правильный ритм в смене окраски от бесцветной к желтой и наоборот. Т.е. имеет место колебательное поведение реакции. Сначала окисляются ионы Ce3+ броматом калия, при этом концентрация ионов Ce4+ увеличивается, потом идет реакция его восстановления лимонной кислотой.

Через 10 лет А.Жаботинский повторил и подтвердил опыты Белоусова, заменив лимонную кислоту малиновой кислотой.

Лазер

В основе работы лазера лежит способность коллектива атомов усилить внешнее оптическое излучение.

Лазер состоит из резонатора, активного элемента и системы накачки (рис. 2).



Рис. 2. Схема рубинового лазера

Резонатор это емкость, в котором друг перед другом находятся два зеркала, одно из которых является частично прозрачным. Системой накачки является излучатель (например, лампа накаливания), под действием которого атомы активного элемента (кристалла, жидкости или газа) переходят в верхние энергетические уровни. Другими словами атомы возбуждаются. Через какое-то короткое время они спонтанно излучают кванты, переходя из возбужденных энергетических состояний в основные. Часть спонтанно излученных квантов остается в резонаторе, отражаясь от зеркал резонатора, в результате которого, проходя через активный элемент, они возбуждают других атомов. В итоге активный элемент переходит в состояние инверсной населенности (неравновесное состояние), когда количество возбужденных атомов становится больше количества атомов, находящихся в основном состоянии. В этот момент происходит скачкообразное вынужденное мощное излучение. При этом квант вынужденного излучения и квант, стимулирующий переход, имеют одинаковые параметры; они когерентные (с одинаковой фазой и поляризацией) и монохроматические (имеют одинаковые частоты). Кроме того, так как они распространяются по оси резонатора, излучение получается строго направленным (параллельный пучок). Такой пучок и называется лазерным пучком.

Таким образом, лазер – это высокоупорядоченная система, в котором происходит процесс самоорганизации – процесс превращения спонтанного оптического излучения в лазерное излучение.

Лазеры бывают твердотельные (с активными элементами кристаллов рубина, граната и т.д.), полупроводниковые (полупроводники GaAs, GaAlAs), жидкостные (красители) и газовые (CO2, Ar, Ne), непрерывные и импульсные с мощностью от долей Вт до десятки тысяч Вт.

Рост кристаллов

Еще одним примером самоорганизации является рост кристаллов. Кристаллы образуются из паров, растворов, иногда расплавов и имеют форму многогранников (кубов, октаэдров и т.д.). Другими словами из низкоупорядоченных растворов образуются высокоупорядоченные системы-кристаллы. Кристаллы, как высокоупорядоченные системы, обладают регулярной периодической структурой в трех направлениях (рис. 3).



Рис. 3. Кристаллическая структура алмаза
Рост кристаллов происходит вдали от термодинамического равновесия, и чем больше неравновесие системы, тем выше скорость роста. При росте кристалла выделяется энергия в виде тепла. Это обусловлено тем, что в кристаллах равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами достигается при минимальной потенциальной энергии системы. Выделение тепла свидетельствует об уменьшении энтропии системы.

Кристаллы бывают твердые и жидкие. Они состоят из элементарных ячеек, т.е. это тот микроуровень, где еще сохраняются свойства кристаллов. Другими словами кристалл получается параллельным переносом (трансляцией) элементарной ячейки. Пространственная форма ячейки определяется типом симметрии кристалла. В кристалле NaCl ячейка имеет кубическую форму, в кристалле алмаза – форму октаэдра и т.д.
? Вопросы:

  1. Что за наука естествознание?

  2. В чем суть принципа глобального эволюционизма?

  3. Приведите примеры проявления принципа глобального эволюционизма?

  4. Какие системы называются открытыми?

  5. Приведите примеры открытой системы?

  6. Какие системы называются термодинамическими?

  7. Какой процесс называется обратимым?

  8. Какой процесс называется необратимым?

  9. Что гласит первый закон термодинамики?

  10. Что характеризует энтропия?

  11. Что гласит второй закон термодинамики?

  12. Что происходит с энтропией в открытых системах?

  13. Что такое процесс самоорганизации?

  14. В чем суть закона о минимальном производстве энтропии?

  15. Что за наука синергетика?

  16. Приведите примеры самоорганизации?


Задача 1. Открытая система принимает 660 Дж энергии при температуре 330 К и отдает 630 Дж энергии при 300 К. Найти изменение энтропии этой системы.

§5. МИКРОМИР, МАКРОМИР И МЕГАМИР
Мир делится на три составляющих - микромир, макромир и мегамир. Это деление не является формальным. Дело в том, что концепции микромира, макромира и мегамира в корне отличаются друг от друга, что связано с принципиальным отличием соответствующих объектов и явлений. Не случайно, что теоретическая основа этих концепций тоже различная – от квантовой механики до общей теории относительности.

Объекты микромира

Объектами микромира являются элементарные частицы, атомы и молекулы, в том числе макромолекулы (например, белки и химические полимеры). Объекты микромира имеют размеры практически от нуля (электрон) до 10 нм (белки). В связи с маленькими размерами объектов в микромире применяется внесистемная единица измерения расстояний и линейных размеров частиц. Это, во-первых, внесистемная единица ангстрем: 1Ǻ = и, во-вторых, единица нанометр: 1 нм = = 10 Ǻ. Радиус атома водорода чуть меньше 1 Ǻ – это примерно одна миллионная доля человеческого волоса с толщиной 75 мкм.

Кроме естественных объектов микромира в рамках нанотехнологии уже созданы искусственные микрообъекты – нанороботы, которые смогут работать внутри клеток человеческого тела. Нанотехнология в будущем будет иметь широкое применение в электронике (будут созданы нанотранзисторы и подобные электронные устройства), в вычислительной технике (в виде запоминающих устройств), в медицине (для диагностики и лечения) и в быту. Размеры в нанотехнологии принято считать от 1 нм до 100 нм.

Размеры и расстояния в микромире измеряются при помощи явлений дифракции пучков квантов или элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.). В качестве эталона длин в этом случае выступает длина волны излучения или элементарных частиц.

В микромире энергии несравненно меньше энергий макротел, поэтому для того, чтобы характеризовать микрообъекты вводится внесистемная единица энергии электрон-вольт: 1эВ = 1,6Ч10- 19 Дж. Энергия покоя электрона, например, порядка 0,5 МэВ (М – мега - миллион).

Свойства микрочастиц в корне отличаются от свойств частиц нашего окружения.

В микромире господствуют квантовая механика и специальная теория относительности.

Объекты макромира

Объектами макромира являются клетки, человек и Земля, в том числе все тела и популяции на Земле. Объекты макромира имеют размеры от 0,1 мкм (клетки - некоторые бактерии) до десятки тысяч км (Земля).

В макромире применяется системная единица измерения расстояния: м, а также его кратные: мкм, мм, см, км.

В макромире расстояния измеряются с помощью рулетки и подобных средств. Для измерения больших расстояний применяется радиолокационный метод измерения. На исследуемый объект посылается мощный электромагнитный импульс, а затем принимается отраженный сигнал. Зная время распространения сигнала t и его скорость v, можно определить расстояния до исследуемого объекта по формуле l = vt/2. С помощью этого метода находятся глубины морей (например, с помощью эхолота или сонара) и расстояния до далеких объектов.

В макромире расстояния можно измерить также с помощью метода геометрического параллакса. Если смотреть на один и тот же объект B с двух разных точек зрения A и C, расстояние между которыми известно: AC = h, и измерить углы a и b, образованные между направлениями на исследуемый объект и прямой AC, то можно определить расстояние AB до исследуемого объекта B по теореме синусов (рис. 4)

.


Рис. 4. Метод геометрического параллакса
В макромире господствует классическая механика.

Объекты мегамира

Объектами мегамира являются Солнечная система, звезды, галактики и Вселенная. Размеры объектов мегамира начинаются от миллионов км и распространяются практически до бесконечности.

В мегамире в пределах Солнечной системы для измерения расстояний применяется радиолокационный метод. С помощью этого метода находятся расстояния до Луны, до ближайших планет и т.д. В мегамире расстояние измеряется также с помощью геометрического параллакса. С помощью этого метода определяется расстояние до планет Солнечной системы и ближайших звезд.

Но основная масса звезд слишком далека от нас, поэтому метод геометрического параллакса не позволяет оценить их расстояния. В таких случаях применяются другие методы. Один из методов оценки больших расстояний основан на изучении пульсирующих звезд – цефеид7[‡‡]. Цефеиды периодически раздуваются и сжимаются, при этом периодически изменяется их блеск. Между периодом пульсаций цефеид и их светимостью8[§§] существует определенная зависимость. Если из наблюдений известен период изменения блеска, то из этой зависимости можно найти светимость звезды и, сравнив ее с видимой величиной этих небесных тел, можно оценить расстояние до цефеиды. Так как цефеиды относятся к звездам гигантам и сверхгигантам, то они видны с больших расстояний. Обнаружив цефеиды в далеких звездных системах, можно определить расстояния до этих систем.

Метод цефеид не применим для определения расстояний самых удаленных из числа наблюдаемых в настоящее время звезд. Для таких звезд наилучшим методом является метод определения расстояния до галактик по величине смещения линий в спектре галактик, так называемого красного смещения.

В связи с большими расстояниями в мегамире применяются внесистемные единицы измерения расстояний и размеров - световой год и парсек. Световой год – это расстояние, которое проходит свет в пустоте за один год: 1 с.л. = 9,5Ч1015 м. Парсек 3,26 раза больше светового года: 1 пс = 3,26 с.л. = 3Ч1016 м.

В мегамире господствуют общая теория относительности, а в Солнечной системе закон Всемирного тяготения, за исключением близких к Солнцу точек
? Вопросы:

  1. Какие объекты изучаются в микромире?

  2. Какие объекты изучаются в макромире?

  3. Какие объекты изучаются в мегамире?


Задача 1. Угловой размер Солнца, видимый с Земли, составляет в среднем 32 угловых минут. Зная расстояние от Земли до Солнца (150 млн. км), найти диаметр Солнца.

Задание 2. Предположим для построения моста через широкую реку вам поручили найти ширину реки. Как вы решите эту задачу?

Задача 3. Найти ширину реки по следующим данным: a = 900, b = 800, = 10 м.

  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации