Глава 4 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА
advertisement
Глава 4 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ Основное содержание главы Первичные ощущения пространства и времени даны человеку на биологическом уровне сознания, их логически строгое определение является проблемой. В решении этой проблемы естествознание прошло путь от первых геометрических построений античности к теории многомерного пространственно-временного континуума. В современном естествознании происходит геометризация физической картины мира, при которой действующие между телами силы становятся следствием искажений геометрии пространства и времени. 4.1. Античные и классические концепции пространства и времени Никакая теория, в которой изначально принимается факт существования пространства и времени, не может объяснить эти понятия. Джон А. Уилер, американский физик Движение, пространство и время – самые общие понятия в естествознании и гуманитарной культуре. Мы пользуемся этими понятиями ежедневно, часто не давая себе отчета о их физической сути. А если задуматься? Не попадем ли мы в положение сороконожки, которая задумалась, как же она ходит, и замерла? Как следует из п. 2.1, биологическое эволюционное развитие аппарата восприятия объективной реальности опережает развитие понятийного (модельного) аппарата сознания. Поэтому человек не всегда может зафиксировать возникающее ощущение как сознательное, т. е. как сравненное (идентифицированное) с уже имеющейся у него базой понятий. Тогда оно остается на уровне подсознания. Так, некоторые люди интуитивно предчувствуют надвигающееся землетрясение или иную опасность. Скорее всего, эти редкие индивиды способны воспринимать некоторые элементы реальности, недоступные (утрачена способность!) большинству. В современной массовой культуре подобных людей называют экстрасенсами, что неточно. Без какой-либо сенсорики (восприятие в ощущениях) никакая информация, даже на уровне подсознания, не появится. Отчасти способность ощущать пространство и время заложена в человеке генетически. Установлено, что за ориентировку в пространстве и во времени ответственно то полушарие мозга, которое ведает образным мышлением. После рождения эта способность актуализируется, и в нашем сознании начинает формироваться образ пространства через движение рук, ног, головы и другие моторные реакции. Можно сказать, что образы пространства и времени даны нам на уровне первичных биологических ощущений. Так как они исходные, то для их идентификации еще нет понятийного аппарата. Поэтому крайне трудно дать рациональное, логическое определение категориям движения, пространства и времени. Однако это не означает, что мы не можем договориться о способах измерения этих ощущений. Конечно, в физике (как основе классического естествознания) не принято было пользоваться методами, подобными современному методу прямого субъективного шкалирования (см. п. 2.1). Вместо этого для определения интервала пространства использовали такие условные меры, как пядь, локоть, фут, стадия. Но что это, как не продолжение первичных движений рук и ног? Первое знакомство с пространством, первое ощущение его мы получаем в раннем детстве, когда хотим все потрогать вокруг себя. (И себя самого – это Я). И убеждаемся, что есть что-то бестелесное, что потрогать никак не удается, но что отделяет одни предметы от других. Примем эту фразу за определение пространства! Выработка рационального понятия пространства идет по цепочке, которую мы привели ранее в п. 2.1. Сначала oпыт: движение рук позволяет почувствовать пространство как протяженность, затем подключается зрение. Осознание: близкое – далекое – перспектива. Понятие: интервал пространства как расстояние. Обобщение: пространство, в котором находится все. Правое полушарие нашего мозга вырабатывает понятие интервала пространства, которое чувственно, которое можно измерить в единицах ощущения или в условных, но понятных, мерах (локоть или метр). Левое (рациональное) полушарие вырабатывает логическое понятие абстрактного Пространства как категории философской, математической и физической. Классическая концепция пространства – это пространство математическое, идеальное. Его истоки лежат в античной натурфилософии. У Демокрита вещество делится на неразрезаемые атомы, но пустота (пространство) на какие-либо части не делится. Атомы движутся в пустоте, они вечны, и время не имеет ни начала, ни конца. У Платона пространство и материя являются фактически синонимами. Пространству свойственно принимать любые оттиски тел, вмещать всякое рождение тел, причем само оно остается лишенным формы. Чтобы полностью вместить все виды тел, пространство должно быть субстратом, субстанцией, совершенно лишенным качества тел, быть бестелесным. Аристотель (ученик Платона), признавая пространство, отвергает существования пустоты. Все пространство у него сплошь занято телами, и они могут двигаться, «уступая место» друг другу. Понятие «место» играет у Аристотеля весьма важную и самостоятельную роль. Место объемлет предмет, но оно не есть сам предмет и его форма, поскольку оно отделимо от предмета. Важным свойством «места» является наличие у него верха и низа, причем абсолютного верха и низа. В мире существует абсолютный верх и абсолютный низ. Абсолютный верх – это то, куда движется огонь, абсолютный низ – центр Земли. Легкие тела движутся в свойственное им место вверх, тяжелые – вниз. Такова причина «естественного» движения в наблюдаемом мире. Все остальные движения носят насильственный характер, никакого самодвижения видимых тел Аристотель не допускает. Таким образом, место наделено у Аристотеля как бы некоторой силой и служит системой координат [1]. В своем объяснении движения Аристотель столкнулся с явлением сохранения движения тел после воздействия на них какой-либо силы. Что является двигателем камня, летящего горизонтально? Аристотель утверждает, что промежуточным двигателем здесь является воздух, который в момент броска тоже приводится в движение и какое-то время способен двигать камень. Данное явление он объяснял также принципом «боязни пустоты». По Аристотелю, позади камня образуется пустое пространство, а природа боится пустоты, поэтому воздух стремится туда, где может образоваться пустота, и подталкивает некоторое время камень вперед. Эти положения стали наиболее уязвимыми в системе Аристотеля и были подвергнуты жестокой критике. Пространство в классической физике Ньютона понятие математическое – это абсолютная пустота, в которой возможно движение тел по инерции, равномерное и прямолинейное. В любом месте пространства можно выбрать систему координат, причем естественного абсолютного верха или низа в пространстве Ньютона нет. Отметим, что современное понимание пространства более физическое, чем у Ньютона. Идеальный, абсолютный вакуум отсутствует в природе. Даже без стабильного вещества в физическом вакууме непрерывно рождаются и исчезают (аннигилируют) виртуальные микрочастицы. Этот вечный процесс называют виртуальным рождением пар «античастица – частица». Образно говоря, физический вакуум «кипит», «бурлит» микрочастицами. Но на макроуровне флуктуации сглаживаются и непосредственно не ощущаются. Такое понимание ближе к субстанциональной концепции, трактующей пространство как некую «субстанцию» (или среду), вещественную или полевую. Дать логическое определение времени – задача еще более трудная. Время тоже бестелесно и ощущается на биологическом уровне всем организмом человека, у него нет специального «органа времени». По этому поводу ранее упомянутый религиозный авторитет Августин Аврелий (см. рис. 7) писал: «Я знаю, что такое время, пока не начинаю думать о нем». Время ощущается на первичном биологическом уровне, знание о нем – интуитивно. Оно связано с опытом: чувственное восприятие вращения Земли, восход и закат Солнца, смена освещенности, температуры и так далее. Как писал Гераклит, «все течет, все изменяется…». Вновь движение, только теперь не рук, а внешних объектов, задает первичный образ времени. В гуманитарной культуре можно найти иллюстрацию характерных свойств времени в виде свернутой в кольцо змеи, кусающей свой хвост, и песочных часов, символизирующих течение времени (рис. 41). Субъективное восприятие времени зависит от эмоционального состояния человека: то оно тянется мучительно долго в ожидании чего-либо, то пролетает незаметно в интересном занятии. Эффект дисторсии Рис. 41. Аллегория времени времени особенно часто наблюдается для критических ситуаций катастрофы (смертельной опасности). В конечном счете вырабатывается устойчивый стереотип мышления: «вчера» – было, «сегодня» – наступило и «завтра» – будет обязательно. Происходит осознание: «теперь» или «сейчас» отделяется от «прошлого» и «будущего». Мысленно мы можем переноситься в прошлое, пытаемся зримо представить себе будущее. В нашем сознании, как на видеопленке, последовательно зафиксированы события нашей жизни. Вырабатывается понятие «интервал времени», измеряемый сутками и производными мерами: месяц, год, в физике – секунда. И наконец, мы можем сделать обобщение: абстрактное время – как непрерывность и последовательность, как поток или лента, на которой события оставляют метки (распределяют информацию). Эту последовательность чего-то бестелесного, что отделяет в последовательности одни события от других и существует независимо от нас, мы называем Временем. Время разделяет события, которые могут происходить в одном и том же месте, в одной и той же точке пространства. Таким образом, в классическом естествознании время играет роль пространства, но в чем-то другом, в чем нельзя реально вернуться назад. Этим время принципиально отличается от пространства. Важно отметить, что у Аристотеля время определяется через движение. Время есть не что иное, как число движения по отношению к предыдущему и последующему. Таким образом, время не есть движение, а является им постольку, поскольку движение имеет число. Доказательством служит то, что большее или меньшее мы оцениваем числом, движение же большее или меньшее – временем, следовательно, время есть известное число [1]. Аристотель сомневался в самостоятельности существования времени, приводя следующие доводы. Выберем какой-либо конкретный момент времени. По строгой логике рассуждений в любой данный момент бытия прошлого уже нет, а будущего еще нет. Как может нечто возникать из того, чего нет и переходить в то, чего нет? Древнеримский философ и поэт Лукреций Кар писал: Время не может существовать само по себе, Лишь из движенья вещей получаем мы ощущение времени. Никто не ощущает время само по себе, Но знает о времени по движению всего прочего. Августин Аврелий также утверждал: «Время создается изменением вещей». Понимание сути времени как естественного хода изменения всего окружающего мира является содержанием реляционной концепции времени. Явно или неявно признав реляцию (связь) понятия времени с ходом естественных процессов, мы можем использовать их для измерения интервалов времени. Альтернативой этому пониманию вещей является субстанциональная концепция времени. Она выражает классическую модель идеального времени и пространства, которые не зависят от наблюдателя. Смысл концепции в представлении времени и пространства как неких сред (субстанций), в которые тела погружены и где они движутся. При этом время и пространство не зависят друг от друга и не могут влиять друг на друга. Направленность стрелы времени от прошлого к будущему является необходимым условием возникновения причинно-следственных связей между событиями. Если бы отсутствовала однонаправленность стрелы времени, то никакое структурирование из первоначального хаоса не было бы возможным. При этом следует помнить, что не всегда «позже» гарантирует «вследствие». Перечислим свойства пространства и времени в соответствии с классической субстанциональной концепцией. Высокая симметрия свойств пространствасреды Симметрия свойств времени-среды непрерывность однородность изотропность безграничность трехмерность непрерывность однородность безграничность одномерность направленность Свойство направленности выражает асимметрию времени. Как показала теоретически Эми Нетер, из симметрии свойств пространства и времени в классической физике следуют законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, сохраняющие свою роль фундаментальных законов природы и в современном естествознании. Однородность времени (все моменты равноправны, возможен перенос начала отсчета времени) Однородность пространства (все точки пространства равноценны, возможен перенос системы координат) Изотропность пространства (равноценность направлений) Закон сохранения энергии Закон сохранения импульса Закон сохранения момента импульса Современное естествознание использует реляционную концепцию. В ней пространство и время существуют как атрибуты движения материального мира. Без материи нет ни пространства, ни времени, только в связи с движением материи пространство и время имеют смысл. Время создается движением материального мира, хотя нет какого-либо специфического «времяобразующего» движения в его бытовом понимании. Термин «движение» в естествознании понимается как изменение состояния всего мира: нечто не существовавшее становится существующим, тогда как существовавшее переходит в другие формы и состояния или исчезает. Иными словами, от понимания времени как длительности (интервала между событиями) мы переходим к его пониманию как процесса непрерывного становления (от существующего к возникающему). 4.2. Парадоксы движения По определению, движение является в общем случае процессом любого изменения вообще, независимо от его характера, направления или результата. Аристотель выделял четыре вида движения: возникновение и исчезновение сущего; количественный рост или уменьшение; качественное изменение (вино – уксус); перемещение из одного места в другое. Самое простое движение – механическое. Но и тут не все очевидно. Что движется: объект или состояние? Чтобы пояснить, почему возникает такой вопрос, приведем сначала короткое стихотворение А.С. Пушкина «Движение». «Движенья нет!» – сказал мудрец брадатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить. Сильнее он не мог бы возразить. Хвалили все ответ замысловатый. Но, господа! Забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами Солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей! В стихотворении речь идет о диспуте двух известных мыслителей античности Зенона и Антисфена. Первый утверждал отсутствие движения. В доказательство он приводил следующее логическое рассуждение. Пусть из лука выпущена стрела. При полете она последовательно проходит одну точку своей траектории за другой (см. рис. 42). Что значит «проходит»? Это значит, что она там находится некоторое, пусть даже малое время в покое. Отсюда следует парадоксальный вывод: в любой (истинный, мгновенный) момент времени стрела неподвижна. «Движенья – нет». Рис. 42. Полет стрелы Вообще-то ответ Антисфена был не по правилам научного диспута о высокой материи. Он не стал обращаться к рациональным доводам и аргументам, просто показав, что человек воспринимает движение интуитивно. Движение есть, и это самодостаточный факт. Апория «стрела Зенона» в античности так и не была разрешена. Ошибка заключается в принятии времени как субстанции, в которой движется стрела. Поскольку время оторвано от самого движения (которое первично!), возникает парадокс. Движение в классическом естествознании описывается в рамках субстанциональной концепции пространства и времени (рис. 43). в Z rв Тело отсчета Х –перемещение Y rа И. Ньютон Δr а S путь: непрерывная траектория Рис. 43. Схема описания движения материальной точки в классическом естествознании Вводится система отсчета: тело отсчета и хронометр для измерения интервалов времени. Применяют модель материальной точки – тела, размерами которого можно пренебречь, по сравнению с расстоянием от начала координат до тела. Описание движения – векторное, перемещение, скорость, ускорение и импульс являются векторными величинами, путь по траектории и энергия – скалярные величины. Современное естествознание предпочитает рассматривать не движение объектов, а изменение их состояния. Для пояснения сути процесса рассмотрим некоторые примеры. 1. В новогоднем стихотворении С.Я. Маршак верно подметил: «Как по лестнице, по елке огоньки взбегают ввысь». Мы наблюдаем движение объекта-огонька по неподвижной гирлянде (см. рис. 44). Для лестницы характерно определенное расстояние между ступенями. В гирлянде это расстояние между соседними лампочками. Поэтому движение огонька – дискретное. Можно определить среднюю скорость движения огонька за время пробега от низа до верха гирлянды. Но можно ли спросить: как движется огонек между соседними лампочками? Рис. 44. Схема движения огонька лампы 2. В электрическом поле по ряду положительно заряженных ионов Na + в кристалле NaCl движется вакансия (вакантное для иона место) (рис. 45). Каждый из ионов смещается вправо только до соседнего свободного узла. Вакансия же пробегает в обратном направлении по всему ряду ионов. Объект, движение которого мы наблюдаем, – это вакантное состояние узла решетки. В отличие от первого примера, при смещении ионов пустое место непрерывно «перетекает» по цепочке. Рис. 45. Схема движения вакансии иона 3. Игра «пятнадцать». В этом случае на 16 мест игрового поля одно остается свободным (вакантным). Передвигая в двух направлениях фишки, мы вызываем движение вакансии по всему полю. Каждый ход вызывает изменение состояния всего игрового поля. Примеры 1–3 иллюстрируют эстафетный механизм движения, когда сигнал (или состояние) проходит весь путь за счет отдельных этапов, подобно движению эстафетной палочки. Аналогичным образом движутся дырки в полупроводниках. (Термин дырка означает вакантное энергетическое состояние.) 4. Все поле экрана монитора компьютера разбито на небольшие клетки-пиксели, координаты которых целочисленные. Чтобы на черном поле экрана высветить один пиксель, необходимо направить в точку его координатами электронный луч. Последовательность соседних пикселей образует линию. При построении графиков на экране мы наблюдаем переход отдельных пикселей из «выключенного» состояния (не светятся) во включенное. На экране можно отобразить стрелу. Если значения координат каждого пикселя стрелы по горизонтальной оси возрастут на единицу, то вся фигура сдвинется вправо на один почти незаметный шаг. Задав соответствующую программу, можно показать движение экранной (компьютерной) стрелы. Механического движения пикселей нет, тем не менее мы наблюдаем движение объекта – стрелы. Для него можно определить среднюю скорость движения по экрану. Чем вызвано перемещение наблюдаемого объекта? Изменением состояния набора пикселей. Поэтому описанию движения стрелы как объекта, имеющего характеристики механического движения – траекторию и скорость, можно дать эквивалентное описание. Оно не будет использовать понятия механики. Вместо этого оно будет описывать изменения во времени состояния экрана компьютера. 5. Волновое движение также является переносом состояния движения (колебательного). Например, можно наблюдать движение максимумов и минимумов по поверхности озера или моря. Для такого движения характерно постоянное значение фазовой скорости волны (скорости переноса состояния колебания, его фазы). Напомним, что при движении волны нет переноса массы по пространству. Приведенные примеры показывают следующее. 1. Мы можем наблюдать движение не только материальных объектов (точек или тел), но и состояний. Это могут быть активные состояния элементов системы или даже «пустота» – вакансии в пространственном расположении элементов или вакансии в энергетических уровнях системы. В любом случае состояние оказывается информационно-значимым, выделенным. 2. Движение состояний, в отличие от движения материальных точек, может быть дискретным, т. е. пространственно или энергетически разделенным. 3. Иногда один и тот же процесс может быть описан двумя способами – и как движение объекта, и как движение состояния (см. пример с экранной стрелой). Более важный пример дуализма описания движения связан с электромагнитными волнами. Теория Максвелла (классическая электродинамика) показала, что свет может быть представлен моделью синусоидальных волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света. В квантовой теории (квантовая механика) свет представляется моделью квантов (фотонов), энергию которых определяет формула Планка: E = hν. (15) Здесь h – постоянная Планка, ν – частота световой волны. Квантовая механика описывает движение электрона в атоме как изменение состояния. При поглощении фотона и переходе электрона с одного энергетического уровня на другой изменяется состояние атома. Вопрос о том, как движется электрон между уровнями (или между орбитами), равноценен вопросам о движении пикселя между выключенным состоянием и включенном или о движении огонька между лампочками. Подобные вопросы просто не имеют физического содержания. Иными словами, движение электрона в атоме (т. е. связанного с ядром атома) – это движение (эволюция) состояния. Движение же свободного электрона, например в электронно-лучевой трубке, проще и понятнее описывать как движение по траектории объекта с известными значениями массы и заряда, т. е. как движение материальной точки. Симметричны ли процессы движения? Многие механические и химические процессы обратимы. Уравнения классической динамики обратимы по отношению к направлению времени. Наряду с ними существуют процессы принципиально необратимые: распад радиоактивных ядер, охлаждение нагретых тел, диффузия примесей в твердых телах, выравнивание концентраций, старение организмов и т. д. Асимметрия процессов движения (необратимых) задает направление стрелы времени. 4.3. Концепция четырехмерного пространства-времени Важнейшим достижением классического естествознания явилось открытие законов сохранения импульса и энергии. Эти законы остаются в силе и для современного естествознания, так как законы сохранения являются следствием свойств симметрии пространства и времени и не зависят от конкретного вида внутренних сил в замкнутой системе – электрических, механических, магнитных или ядерных. Проверка этих фундаментальных законов природы в области скоростей движения частиц, стремящихся к скорости света, приводит к неожиданным результатам. Взаимодействием может быть удар двух частиц, например электрона и атома. При этом возможны потери кинетической энергии электрона. Если происходит возбуждение электронной оболочки атома, удар будет неупругим. При соударении двух протонов возбуждения не происходит, и удар является абсолютно упругим. Для таких случаев законы сохранения позволяют найти величины векторов импульсов частиц после удара. Отметим, не приводя вычислений, характерную особенность разлетающихся частиц: сумма углов разлета должна быть равна прямому углу. Для регистрации столкновений протонов использовали метод ядерных фотоэмульсий, в которых заряженные частицы оставляют автографы – треки. После проявления фотопластинок следы, оставленные частицами разных энергий, рассматривали при увеличении, производили измерения углов разлета и пробегов рассеянных частиц (см. рис. 46). Рис. 46. Обработка следов микрочастиц Проведенные в середине ХХ в. эксперименты показали, что в области скоростей, много меньших скорости света, имеется точное соответствие с предсказаниями классической механики. А вот при высоких энергиях протонов, при которых их скорость сопоставима со скоростью света, угол разлета оказывается заметно меньше девяноста градусов. Наблюдаемые факты можно интерпретировать двумя путями. Первый из них описан в школьном курсе физики. Здесь используют классическое определение импульса тела P=mV и вводится понятие динамической массы частиц, величина которой зависит от скорости движения частицы: m m0 V2 1 2 c (16) Здесь m0 обозначает величину массы покоящейся частицы. В современной физике принят альтернативный вариант, который исходит из закона сохранения импульса во всех инерциальных системах отсчета, в том числе в системах, движущихся со скоростями порядка скорости света. Этот вариант основан на новом, релятивистском определении импульса: Рm V 2 V 1 2 c , (17) где m является инвариантной массой частицы. Такая зависимость импульса от скорости движения частицы полностью согласуется со специальной теорией относительности (далее в тексте СТО) Альберта Эйнштейна. В основу СТО положены два постулата. 1. Во всех инерциальных системах отсчета скорость света неизменна (является инвариантом) и не зависит от движения источника, приемника или самой системы отсчета: с = inv. В классической механике Галилея – Ньютона величина скорости относительного сближения двух тел (например автомобилей) всегда больше скоростей этих тел и зависит как от скорости одного объекта, так и от скорости другого. Невольно мы переносим свойства тел на свойства света, поэтому нам трудно поверить, что скорость света не зависит от скорости его источника, но это научный факт. 2. Согласно принципу относительности Эйнштейна, физические законы не только механики, но и электродинамики, оптики и другие остаются неизменными при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Из этих постулатов следует, что реальное пространство-время образует единый четырехмерный пространственно-временной континуум (сокращенно будем его обозначать ПВК). Поэтому при переходе из одной инерциальной системы в другую сохраняется неизменной величина пространственно-временного интервала между событиями: S = inv. (18) Величина S определяется следующим выражением: S c 2 t 2 r 2 , (19) где r – пространственный интервал; t – временной интервал. В отличие от динамики Ньютона (см. ниже 4.3.1), в СТО не существует событий одномоментных во всех системах отсчета. Здесь два события, одновременные в одной системе отсчета, выглядят разновременными с точки зрения другой, движущейся или покоящейся, системы отсчета. В качестве иллюстрации приведем пример мысленного эксперимента с «поездом Эйнштейна» (см. рис. 47). Пусть двери вагона открываются при срабатывании фотоэлементов. В центре вагона находится наблюдатель № 1, он зажигает лампочку, свет которой и будет сигналом для появления тока в фотоэлементах и, соответственно этому, для открывания дверей. Что увидят наблюдатели? Так как в движущейся системе свет от центра до краев вагона проходит одинаковые пути с одинаковой скоростью, то для наблюдателя № 1 (он считает свою систему неподвижной, а платформу – движущейся) двери откроются одновременно. Рис. 47. Мысленный эксперимент с «поездом Эйнштейна» Для наблюдателя № 2, который находится на платформе, мимо которой мчится «поезд Эйнштейна», задняя дверь приближается навстречу световой волне, а передняя дверь, наоборот, удаляется. С той же скоростью, что и в движущейся системе, свет пройдет до фотоэлементов дверей разные расстояния. Путь до задней двери короче, и она откроется первой, затем откроется передняя дверь. Для неподвижного наблюдателя события будут разновременными. Конечно, рассмотренный пример является мысленным экспериментом, так как скорость реального поезда не может быть сопоставима со скоростью света. Подчеркнем, что мы считали скорость распространения света во всех системах одинаковой. Именно из-за этого возможна разновременность в разных системах отсчета. 4.3.1. Преобразование координат и скоростей в СТО Напомним, что в классическом естествознании время и координаты, например при движении одной системы отсчета по отношению к другой вдоль оси Х, связаны соотношениями: X* = X Ut, t* = t (время единое для всех систем!). В СТО пространственные координаты связаны преобразованием Лоренца: X Ut Х* U2 1 2 c (20) Как мы видим, от классического выражения эта зависимость отличается введением знаменателя, который стремится к единице при уменьшении скорости движения системы отсчета U (принцип соответствия теорий выполняется). Так как в теории Эйнштейна время и пространственные координаты равноправны, то формулы преобразования должны быть аналогичными по форме и симметричными. Поэтому формулу для преобразования времени можно записать по аналогии, поменяв местами координаты Х и t: t* t UX (?) 1 2 U c2 Знак вопроса в скобках поставлен потому, что от времени можно вычитать только величину с размерностью времени. Чтобы получить необходимую размерность, следует произведение UX разделить на квадрат скорости (естественно, скорости света!). Для размерностей будем иметь [X/с] = [t], a [U/с] = 1 – безразмерная величина. Тогда получим UX c2 t* U2 1 2 c t (21) Преобразования, которые мы проделали, не являются выводом формулы для преобразования времени. Но они демонстрируют возможности научных методов аналогии и размерностей в естествознании. Здесь используется то принципиально новое, что появляется в теории Эйнштейна – полное равноправие временной и пространственных координат. Формулы преобразований Лоренца (20) неожиданных, на первый взгляд, следствий. Следствие 1 Следствие 2 U2 l* l 1 2 (22) c t* (21) позволяют получить ряд Следствие 3 t U2 1 2 c и (23) V* V U VU (24) 1 2 с Первое следствие выражает релятивистское сокращение длин отрезков в движущейся системе отсчета по сравнению с их длинами в неподвижной системе. А именно, наблюдатель, движущийся с релятивистской скоростью относительно неподвижного стержня Δl, увидит его более коротким. Второе следствие – это релятивистский эффект увеличения интервалов времени между двумя последовательными, причинно связанными событиями в быстро движущейся системе отсчета по сравнению с соответствующим интервалом в неподвижной системе. Третье следствие определяет закон сложения скоростей тел в СТО. Из него автоматически получается, что если скорость V = с, то и V* = с при любой скорости движения системы отсчета U. Эти следствия совершенно симметричны относительно обоих наблюдателей. Поэтому размеры релятивистских объектов в направлении движения, видимые с точки зрения неподвижного наблюдателя, уменьшаются, тогда как длительность процессов в релятивистских объектах увеличивается с точки зрения неподвижного наблюдателя. Необходимо подчеркнуть, что необычные изменения, вытекающие из приведенных формул, являются чисто кинематическими эффектами и не связаны с действием какихлибо сил природы. В специальной теории относительности получено следующее выражение для энергии покоящейся частицы: E0 mc2 . (25) Это самая известная формула специальной теории относительности. Она показывает, что массе частицы отвечает эквивалентное количество энергии и, наоборот, данному количеству энергии можно поставить в соответствие вполне определенную величину массы. Очевидно, что для этой энергии нет аналога в классическом естествознании, где для неподвижного тела имеется потенциальная энергия взаимодействия частей тела, но она явным образом зависит от расстояния между взаимодействующими частями тела. Можно сказать, что Е – это потенциальная энергия внутренних уровней взаимодействия, которые не могут быть сведены к механическому движению, гравитационному или кулоновскому взаимодействиям. Полная энергия движущейся частицы, согласно СТО, выражается зависимостью: Е mc 2 2 V 1 2 c (26) В классическом естествознании из однородности пространства следует закон сохранения импульса, а из однородности времени следует сохранение энергии. В СТО сохраняется объединенная величина «энергия-импульс». Таким образом, роль СТО в современном естествознании – это роль объединительной концепции пространства и времени. 4.3.2. Применение СТО в современном естествознании Как уже было рассмотрено в п. 3.1, каждая элементарная частица имеет своего двойника, который отличается от нее лишь знаком электрического заряда. Массы покоя частицы и ее античастицы одинаковы, например электрон и позитрон имеют массы покоя, равные 0,911∙10 кг или 0,511 МэВ. В ядерной физике на основании эквивалентности массы и энергии – формула (25) – величину массы элементарных частиц выражают в энергетических единицах – электронвольтах (эВ) и производных единицах мегаэлектронвольтах. Если частица и античастица встречаются в одной точке пространства, то они взаимно аннигилируют, т е. исчезают как частицы с отличными от нуля массами покоя. Согласно СТО полная энергия двух частиц переходит в энергию фотонов – частиц электромагнитных излучений. Фотоны имеют нулевое значение массы покоя, поэтому они могут двигаться со скоростью света (неподвижных фотонов не бывает). Источником позитронов в лабораториях обычно служат радиоактивные нуклиды, например ядра изотопа фосфора с массовым числом 31. Другие античастицы образуются в ходе реакций между микрочастицами, разогнанными до высоких скоростей в ускорителях. Особенностью аннигиляционного электромагнитного излучения является высокая энергия образующихся фотонов, высокая – по сравнению с энергией химических связей атомов в молекулах или электронов с ядрами атомов. Напомним, что для ионизации атома водорода необходимо 13,6 эВ. А энергия фотона при аннигиляции бета-частиц будет равна m0V2 m0V2 (27) 2 2 В энергию излучения переходит удвоенная энергия-масса покоя частиц и обычно малая кинетическая энергия электрона и позитрона. W 2m0c 2 Возможна и обратная реакция перехода энергии гамма-квантов в энергию-массу пары «частица – античастица» (рис. 48). Этот процесс более эффективно происходит вблизи тяжелых ядер, где велики искажения пространственно-временного континуума. Ядро атома Электрон Позитрон Гамма-квант Рис. 48. Схема процесса образования пар частица – античастица Энергии гамма-кванта должно быть достаточно для появления массы покоя двух частиц и сообщения компонентам образованной пары кинетической энергии (чтобы «близнецы» могли разлететься друг от друга). Образовавшаяся античастица оказывается в чуждом для нее мире, окруженной многими обычными частицами вещества, и вскоре аннигилирует. В ядерных реакциях был обнаружен необычный эффект, названный дефектом массы. Рассмотрим, например, реакцию образования одного из трех изотопов водорода – дейтерия (рис. 49). Когда протон и нейтрон сближаются на расстояние действия ядерных сил, происходит образование ядра дейтерия. При этом выделяется энергия W, во много раз (в миллионы раз) большая, чем в обычных химических реакциях, например чем в реакции образования молекулы водорода из двух атомов. Согласно выводам теории относительности, выделение и передача во внешнюю среду энергии сопровождается уменьшением полной массы системы. Протон Нейтрон W Ядро дейтерия Рис. 49. Схема образования ядра дейтерия По этой причине экспериментально определяемая масса ядра дейтерия меньше, чем сумма масс свободных протона и нейтрона. Величина разности масс получившегося ядра и исходных частиц получила название дефекта масс: m W c2 (28) Подобный эффект сопровождает образование и других ядер. Без понимания возможности эквивалентных изменений энергии и массы нельзя объяснить наличие дефекта масс у ядер всех химических элементов. Возможен и обратный процесс, в результате которого сумма масс родившихся элементарных частиц будет больше, чем масса покоя исходных частиц. Такого эффекта в классическом естествознании не предполагалось. Он проявляется в тех случаях, когда в реакциях с другими микрочастицами подведенная извне к этим частицам энергия переходит в массу новых образующихся частиц. Закон сохранения энергии-массы не запрещает рождение все более массивных микрочастиц при столкновении микрочастиц на ускорителях (см. рис. 31), была бы достаточной величина подводимой в зону реакции энергии! До каких пор возможно такое «утяжеление» вновь рождающихся частиц? Фантазируя, некоторые писатели полагают возможным даже рождение новых вселенных в результате каких-то мощных энергетических процессов, управляемых разумными существами в других галактиках... Однако это не так. Самая массивная из известных в настоящее время микрочастиц – скалярный Z-бозон – имеет массу, сравнимую с массой атома серебра. Для микрочастиц это большая величина, но она не сопоставима даже с разновесом в 1 грамм. Ниже мы рассмотрим, по каким физическим соображениям возрастание массы микрочастиц ограниченно некоторым фундаментальным пределом, и поэтому вселенные в известных сейчас взаимодействиях не образуются. 4.3.3. Гипотеза частицы-максимона Наш мир характеризуется набором фундаментальных постоянных, которые входят в самые существенные постулаты, определения, законы. Перечислим те из них, которые характеризуют гравитацию, квантование энергии и скорость распространения физических взаимодействий: h – постоянная Планка, размерность [h] = Дж∙с = кг∙м 2 с 1, с – скорость света, G – гравитационная постоянная, [с] = м∙с 1, [G] = кг∙м 3∙с 2. Можно полагать, что комбинация этих мировых постоянных тоже будет иметь физический смысл некоторой фундаментальной величины, особенно если размерность комбинации постоянных будет совпадать с размерностью массы, времени или пространственного интервала. В частности, вы можете самостоятельно выполнить простые преобразования и убедиться, что с размерностью массы совпадает размерность следующего выражения: hс m. G Поскольку имеется однозначное соответствие между уравнениями для физических величин и уравнениями для их размерностей (вспомним обязательную проверку размерностей при решении задач!), то можно записать аналогичное равенство уже для самих постоянных: hс mmax . G (29) В настоящее время полагается, что формула (29) позволяет оценить порядок величины предельной массы элементарной частицы, больше которой не должно быть в нашей Вселенной. Такая гипотетическая частица была названа академиком Марковым «максимоном». Численный расчет, который Вы сами можете проделать по формуле (29), приводит к значению mmax 31019 масс протона, что соответствует примерно пяти сотым грамма. Если оценить затраты энергии, необходимые для рождения максимона по формуле Эйнштейна (25), то она окажется экстремально большой – порядка десяти в двадцать второй степени мегаэлектронвольт. Такая энергия недоступна человеку сейчас и в обозримом будущем. Использованный нами научный метод соответствия размерностей можно использовать далее для оценки других фундаментальных величин. 4.3.4. Концепция квантования пространства и времени Полученную выше комбинацию мировых постоянных с размерностью массы можно считать естественной единицей измерения массы, в отличие от принятой по соглашению метрологов единицей 1 кг. Точно так же можно ввести естественную единицу измерения расстояний. Убедимся, что размерность длины соответствует размерности следующего выражения: hG 3 l . с (30) Перейдем к формуле для физических величин: hG LР с3 (31) Введенную постоянную называют длиной Планка, о чем напоминает ее подстрочный индекс. Если выполнить расчет, то получим для планковской длины величину порядка десяти в минус тридцать пятой степени метра. Полагают, что меньших интервалов пространства не существует. Это как бы предел дискретности, делимости пространства. Соответствующее планковское время, с минимальной длительностью, можно найти как интервал времени, необходимый свету для прохождения длины Планка: tP LP с (32) Порядок величины планковского времени оказывается равен десяти в минус сорок третьей степени секунды. Несмотря на свою простоту, приведенные оценки играют очень большую роль в современном естествознании. Они служат базой для концепции квантового пространственно-временного континуума. В рамках этой концепции полагают, что пространство и время можно считать непрерывными только до тех пор, пока масштаб расстояний много больше планковской длины, а масштаб временных интервалов не подходит к рубежу планковского времени. При сопоставимых расстояниях или при сопоставимых временных «отрезках» пространство-время дискретно. Мысленно вообразите себе кубик, ребро которого равно планковской длине. Это будет самое упрощенное представление о трехмерной проекции «элементарной ячейки» четырехмерного пространственно-временного континуума. Меньших объемов различить будет невозможно. Движение частицы-объекта в такой модели будет подобно движению состоянияогонька по гирлянде лампочек, о котором мы говорили ранее. Частица-состояние исчезает в одной «ячейке» и появляется, рождается в соседней, делая дискретный шаг в четырехмерном пространстве-времени. С большого, макроскопического расстояния дискретность движения будет неразличима. Конечно, нам весьма трудно представить себе четырехмерные кубики и процесс движения по таким ячейкам. В какой-то мере здесь можно воспользоваться научным методом аналогии. Попробуем рассмотреть процесс движения частицы в привычном для нас трехмерном пространстве, но с точки зрения двухмерных существ, «плоскатиков». (Хорошим примером двухмерного наблюдателя является тень на плоскости от реального наблюдателя – тень не имеет толщины.) Пересечем трехмерный тор (бублик) плоскостью. Она будет областью существования «плоскатиков» (рис. 50). Пусть частица с площадки № 1 переходит на площадку № 2 по траектории, показанной на рисунке пунктиром (внутри трехмерного тора). Для нас, трехмерных существ, ничего необычного нет, мы все время видим траекторию движения. А вот для плоскатиков будет парадоксом попадание частицы с одной площадки на другую, так как они (площадки) на их плоскости пространственно разнесены. Рис. 50. Связь двух положений в разных измерениях Для плоских существ будет непонятным, как разделенные участки плоскости могут принадлежать чему-то общему, какому-то трехмерному тору. Ведь чтобы увидеть эту общность, надо выйти за пределы привычной плоскости, стать трехмерными существами. Приведенная аналогия нужна вот для чего. Реально микрочастица-состояние движется в четырехмерном «объеме». След же ее приборы регистрируют в трехмерном пространстве. Поэтому частица может на какое-то время «исчезать» из трехмерного сечения многомерного континуума, как она уходит из плоского сечения тора на рис. 50. И появляться «внезапно» в другом месте трехмерного сечения. Геометрические (топологические) свойства таких пространств отвечают за тот спектр масс, зарядов, спинов, которые наблюдаются для элементарных частиц в настоящее время. По последним теориям для описания наблюдаемых значений требуется двенадцатимерное пространство. Высокая размерность становится заметной только на планковских расстояниях, тогда как на больших масштабах проявляется основная размерность, равная четырем. 4.4. Общая теория относительности Эйнштейна Вещь, помещенной будучи, как в Аш-два-О, в пространство, презирая риск, пространство жаждет вытеснить; но ваш глаз на полу не замечает брызг пространства… И. Бродский Согласно представлениям Эйнштейна, взаимное притяжение вещественных тел друг к другу обусловлено тем действием, которое присутствие вещества оказывает на четырехмерный пространственно-временной континуум (далее в тексте ПВК). В классическом естествознании априори признается, что материальные тела могут двигаться в пространстве и во времени, не оказывая какого-либо влияния на них. Есть сцена – пространство и время, и есть актеры – вещества во всех формах и проявлениях процессов превращений. Фон или сцена остаются безучастными к развитию действия. Революционная идея Эйнштейна состояла в своеобразном объединении актеров и сцены, во влиянии вещества на геометрические характеристики четырехмерного континуума. Все мы – существа трехмерные, и нам трудно (даже на интуитивном уровне) представить себе континуум четырех измерений. Снова в какой-то мере может помочь аналогия с плоскатиками, или тенями на поверхности. Мы легко будем видеть все процессы как двухмерного мира, так и трехмерного. А для плоскатиков будет весьма трудно представить себе трехмерный мир, так как их понятийный аппарат выработан для пространства с двумя только измерениями. После такого необходимого вступления разберем один из парадоксов мира плоскатиков. Пусть два массивных, но плоских объекта движутся строго на север по поверхности сферы (рис. 51). Очевидно, что расстояние S между ними будет непрерывно сокращаться. Рис. 51. Схема движения двух плоских объектов по меридианам При движении каждого объекта по своему меридиану плоскатики замечают взаимное сближение в направлении, которое перпендикулярно направлению их перемещения. В конечном счете, чтобы не столкнуться, им придется использовать какую-нибудь силу, например силу тяги плоскомобилей, в которых они путешествуют. Плоскатики будут убеждены, что объективно существует сила их взаимного притяжения. Нам же очевидна иная причина сближения – кривизна поверхности сферы. Мы видим это потому, что находимся в пространстве с большей размерностью. Таким образом, если считать силой любую причину изменения состояния движения объектов, кривизна пространства играет роль, эквивалентную силе. Общая теория относительности утверждает, что причиной гравитационного притяжения всех тел является кривизна четырехмерного пространства-времени. Математическое описание ОТО дается на языке тензорного исчисления, достаточно сложного для того, чтобы приводить конкретные формулы. Искажения возникают вследствие самого факта присутствия массы. По образному выражению одного из американских ученых Дж. Уиллера, «вещество диктует пространству, как ему искривляться, а искривленное пространство указывает веществу, как ему двигаться в нем». Если огромная масса вещества находится во вращательном движении, то окружающее пространство не только «растягивается», но и закручивается. Такое комплексное искажение пространства-времени особенно заметно вокруг сверхмассивных Черных дыр, которые находятся в центрах многих галактик. Но и вращение Земли сказывается на геометрических характеристиках пространства вокруг нее. В 2007 г. группа ученых из НАСА (США) обнаружила закручивание пространства по слабым эффектам в движении спутника Земли (рис. 52). Рис. 52. Деформация пространства Землей Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна постулирует невозможность отличить движение тела в поле гравитации от движения по инерции. Это означает эквивалентность инерциальной и гравитационной масс, что неявно предполагалось и в динамике Ньютона. Следует отметить, что не все согласны с точкой зрения Эйнштейна на природу тяготения. Так, академик А. Логунов считает, что четырехмерное пространство всегда остается плоским, а силы притяжения возникают как следствие релятивистских эффектов. Причины сомнений, приводимые А. Логуновым, уважительны. Дело в том, что понятия энергии и импульса важны в связи с законами их сохранения. В классическом естествознании, согласно теореме Нетер, для плоского ПВК сохранение энергии определяется однородностью времени, сохранение импульса определяется однородностью пространства, сохранение момента импульса определяется изотропностью пространства. Очевидно, что для искривленного пространства-времени нет больше изотропности и однородности, так как кривизна может изменяться от точки к точке. Отсюда возникают сомнения: существуют ли вообще в ОТО законы сохранения энергии-импульса? Сам А. Эйнштейн допускал несохранение энергии локально, но так чтобы в макропределах законы сохранения восстанавливались. Полемика по этому поводу не привела к однозначности, вопрос остается дискуссионным для современного естествознания. Эмпирические доказательства правильности выводов ОТО: отклонение луча света в поле тяготения Солнца; смещение перигелия орбиты Меркурия; изменение частоты электромагнитной волны в поле тяготения. Первое из прямых свидетельств в пользу ОТО было получено при наблюдении Эдингтоном одного из очередных полных затмений Солнца в 1919 г. (см. рис. 53). Позднее была установлена прецессия, дополнительное вращение орбиты Меркурия при обращении планеты вокруг Солнца, параметры которой согласовывались с предсказаниями ОТО. Наконец, уже в наши годы были выполнены эксперименты по измерению малых изменений частоты электромагнитных излучений при их распространении вверх, по сравнению со случаем их движения вниз, в гравитационном поле Земли. Рис. 53. Смещение луча света и прецессия орбиты Меркурия Еще один пример. Вследствие быстрого движения спутников глобальной системы GPS бортовые часы должны отставать от земных на 7 мкс в сутки. Но меньшая сила земного тяготения на орбите заставляет их уходить вперед на 45 мкс/сутки. В итоге для получения точных GPS-данных необходимо вводить в показания бортовых часов поправку на 38 мкс/сутки. Общая теория относительности оставила след и в гуманитарной культуре. Так, в фильме З. Рыбчински «Четвертое измерение» в динамике показано, как человек мог бы воспринимать искажения пространства массивными телами (кадр слева) и видеть непрямолинейное движение тел, включая самого человека (рис. 54). В таком пространственно искаженном мире все предметы и части тел двигались бы по криволинейным путям. Рис. 54. Кадры из фильма «Четвертое измерение» Если пространственное распределение массы вещества меняется с течением времени, то должно возникать динамическое гравитационное поле. Как и для поля электромагнитного, более простое математическое описание получается для предельного случая, когда точка наблюдения находится на далеком расстоянии от источника волн. Гравитационные волны – поперечные. Будучи предсказанными А. Эйнштейном в общей теории относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены. Однако косвенным образом они были идентифицированы в движении двойных звезд. В течение более десяти лет наблюдали отставание фазы затмения одного из пульсаров (быстро вращающейся нейтронной звезды) звездой-спутником. Отставание возникает из-за потерь энергии системы двух звезд на гравитационное излучение. Наблюдаемые данные, приведенные в виде точек на графике, хорошо согласуются с расчетами потерь энергии по теории Эйнштейна (сплошная кривая линия на рис. 56). Рис. 56. Результаты наблюдений сдвига фазы Поэтому существование динамических гравитационных полей особых сомнений у физиков не вызывает, они доверяют надежным косвенным данным. Теперь необходимо прямое экспериментальное наблюдение динамических полей гравитации. Первая антенна гравитационных волн в виде двух алюминиевых цилиндров была построена в начале 60-х гг. Дж. Вебером в США. Чувствительность их, как и более поздних сапфировых антенн, сделанных в России коллективом физиков МГУ под руководством В.Б. Брагинского, оказалась недостаточной. В настоящее время разработаны инженерные проекты лазерно-интерференционных гравитационных обсерваторий (проекты LIGO, VIRGO, LISA). Аббревиатура LIGO означает в переводе на русский язык «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория». Назначение LIGO – наблюдение гравитационных волн космического происхождения. LIGO будет искать гравитационные волны, порожденные процессами взрывов сверхновых звезд, на месте которых образуются нейтронные звезды и черные дыры. На поиски гравитационного излучения нацелен и спутниковый проект LISA (лазерно-интерферометрическая спутниковая антенна). Космическая антенна будет расположена на той же орбите вокруг Солнца, что и Земля. В ней, как и в антеннах LIGO и VIRGO, будут использованы зеркала (центральный элемент в спутниках) и лазерный интерферометр для измерения их малых относительных колебаний (амплитуда 10–9 см при расстоянии между зеркалами в 5 млн км). В завершении главы 4 отметим несколько важных для современного естествознания моментов. 1. В эволюции естествознания прослеживается сосуществование двух концепций пространства, времени и движения – субстанциональной и реляционной. Классическое естествознание основано на первой из названных. В нем первичны трехмерное пространство и одномерное время, как независимые компоненты. Вещество не влияет на эти однородные и высокосимметричные среды (субстанции). Масса тела является мерой вещества, инертности и гравитационного взаимодействия. 2. Развитием идеи независимости всех процессов движения от выбора системы отсчета явилась специальная теория относительности. В ней показано, что классическое разделение общего пространства-времени при больших скоростях движения не допустимо. Мир оказывается четырехмерным континуумом, в котором время есть равноправная составляющая, симметричная пространственным координатам. В этом четырехмерном мире выполняются законы сохранения энергии-импульса, увеличения интервалов времени между причинно-связанными событиями и уменьшения продольных размеров тел. 3. Общая теория относительности вносит еще более значимые концептуальные изменения в понимание связи пространства-времени с движением массивных тел. Обнаруживается единство и самосогласование процесса движения тел и изменений геометрических характеристик (метрик) пространственно-временного континуума. Поскольку искажения ПВК оказывают действие эквивалентное силе классической физики, то можно говорить о геометризации природы гравитационных сил. Возле объектов вселенной с огромной массой (Черных дыр) пространство в максимальной степени искажается и закручивается, а течение времени замедляется. 4. Очевидно, что общая теория относительности ближе к реляционной концепции, связывающей течение (и измерение) времени с общим движением материального мира. Она оказывается созвучной представлениям античных натурфилософов. В частности, напомним о роли «места» пространства у Аристотеля (см. п. 4.1). Он полагал, что оно может оказывать силовое действие на тело. Как и у Платона, в ОТО пространство «материализуется», поскольку на материальные тела действие оказывают только материальные субстраты. 5. Квантовые аспекты теории пространства-времени выражаются в возможности проявления в нашем трехмерном мире некоторых эффектов, связанных с более высокими пространственными измерениями. Задания для самостоятельной работы 1. Приведите в рабочей тетради пример ситуации из Вашей жизни, в которой время «пролетело» незаметно для Вас, и противоположный пример. 2. Приведите пример процесса, который может быть описан и как движение объекта, и как изменение состояния системы с его участием. 3. Проверьте выполнение общеметодического принципа науки о соответствии двух теорий (более общей и частной), получив формулу замедления времени (23) для случая малых скоростей движения (U<<с). 4. При малой скорости движения время жизни пи-плюс-мезона от рождения до распада составляет 26 нс. Рассчитайте по формуле (23), каким будет время жизни этого мезона в составе космических лучей, где скорость мезона составляет U = 0,9с. ГЛОССАРИЙ Абиогенез (от а – означающее отрицание, био... и ... генез) –образование биологических структур вне организма без участия ферментов; одна из современных гипотез происхождения жизни из неживого (косного вещества). Абиотические факторы – факторы неорганической, или неживой, среды в группе экологических факторов адаптации, действующих среди биологических видов и их сообществ, подразделяющиеся на климатические (свет, температура воздуха, воды, почвы, влажность, ветер), почвенно-грунтовые, топографические, океанические и воздействия огня. Автотрофы – клетки или организмы, синтезирующие из неорганических веществ (воды, углекислого газа, соединений азота) все необходимые для них органические вещества, используя для этого фотосинтез или энергию химических реакций. Все зеленые растения и водоросли используют фотосинтез. Адаптация – приспособление живых организмов и их групп (популяций) к меняющимся условиям их существования. Адаптация может проявляться на уровне клеток, на уровне сосуществования хищников и их жертв, на уровне популяций – к условиям стресса. Аддитивность (от лат. аdditivus – прибавляемый, прибавленный) – свойство некоторых физических и геометрических величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям при любом разбиении объекта на части. Такими свойствами обладают длины линий, площади поверхностей, объемы тел, масса и вес тела. Адроны – элементарные частицы, состоящие из кварков, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях. Это большая часть мира элементарных частиц, другую, меньшую часть образуют лептоны. Аллель (от греч. аllelon – друг друга, взаимно) (иначе аллеломорф или аллельный ген), один из пары (или нескольких) генов, определяющих развитие того или иного признака; альтернативная форма одного и того же гена, привнесенного одним из родителей. Хромосома может содержать только один аллель какого-либо гена. Некоторые гены могут иметь множественные аллели, например гены, которые определяют группу крови человека. Альтернативный сплайсинг – внутриклеточный процесс обработки матричной РНК белковыми энзимами в результате которого из нее вырезаются отдельные участки. Это приводит к появлению многих вариантов «зрелой» матричной РНК, определяющей состав белков, подлежащих синтезу на рибосоме. Аминокислоты – химические соединения, общая формула которых представлена на рисунке. Радикалом может быть атом водорода как в глицине (показаном на рисунке), или более сложное молекулярное соединение. Из примерно 60 природных аминокислот около 20 служат составными звеньями цепей белковых молекул (белков), входящих в состав организма человека. Аналогия – соответствие, сходство явлений, процессов, предметов, в некоторых (не обязательно всех) свойствах, закономерностях. Научный метод умозаключений по аналогии – это перенос знаний из более изученной области на менее изученную, на основании сходства по существенным свойствам и качествам. Не является строгим доказательством. Анаэробы, анаэробные организмы, анаэробионты, аноксибионты (от греч. ana – обратно, назад, против и аеr – воздух) – организм, способный жить в бескислородной среде; эта способность называется анаэробиозом и относится к бактериям, некоторым червям и моллюскам (противоположность – аэробы). Античастица, античастицы – «двойняшки» обычных микрочастиц. Имеют одинаковую с частицами массу, спин, время жизни, но отличаются знаком электрического заряда. В магнитном поле движутся в противоположных направлениях. На рисунке только симметричные «усы» (самые правые) показывают рождение пары электрон – позитрон. Симметрия обусловлена одинаковой массой «близнецов». Антропогенез (от греч. anthropos – человек и генез) – процесс историкоэволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи. Учение об антропогенезе – раздел антропологии. Ареал (от лат. area – площадь, пространство) – область распространения на земной поверхности (в том числе в пространстве вблизи этой поверхности) какого-либо явления(й), тех или иных видов животных, растений, птиц, насекомых, полезных ископаемых и т. п. Асимметрия – отсутствие симметрии. Асимметричная фигура не имеет никаких элементов симметрии, т. е. не может совмещаться с собой никакими операции симметрии, кроме единичной операции – формальной операции оставления фигуры на месте. Примером асимметричных фигур может служить рука человека. Всякая асимметричная фигура может быть построена в двух модификациях – правой и левой, при этом нет никакого абсолютного критерия для отличия правизны от левизны, значение играет принятая условность. Атомизм (атомное учение, атомистика) – учение о том, что (согласно Левкиппу, Демокриту и Эпикуру) все вещи, в т. ч. душа, состоят из самостоятельных (дискретных) элементов (атомов) и что все совершающееся основывается на перемещении, соединении и разъединении этих элементов. Указанное положение об атомах и по сей день господствует в воззрениях на мир и природу там, где допускается механическое понимание причинных (детерминистских) связей. Аэробы (от греч. aеr – воздух и bios – жизнь), иначе оксибионты – большинство живых организмов, которые могут существовать только при наличии свободного молекулярного кислорода; к аэробам относятся практически все животные и растения, а также многие микроорганизмы. Противоположность – анаэробы. Бактерии – микроскопические, по преимуществу одноклеточные организмы. Имеют форму шаровидную (кокки), палочковидную (бациллы), извитую или спиральную (вибрионы, спириллы, спирохеты). Нитчатые бактерии достигают в длину 0,1 мм. Играют очень важную роль в живой природе: создают из неорганических веществ – органические (автотрофы), участвуют в формировании плодородия почв, в образовании и разрушении полезных ископаемых, в пищеварительных процессах в кишечнике человека. Белки – полимерные высокомолекулярные соединения, построенные из звеньев – аминокислотных остатков. В простых белках (протеинах) организма человека встречаются около 20 аминокислот, более сложные белки в своем составе могут содержать и небелковый компонент. Белки играют структурную роль (построение тканей и некоторых клеточных компонентов) и функциональную роль (гормоны, энзимы, переносчики кислорода). Белый карлик – это звезды с массами порядка массы Солнца и радиусами примерно в сто раз меньшими солнечного. Отличаются высокой плотностью протонэлектронной плазмы, в которой электронный компонент находится в вырожденном квантовом состоянии, препятствующем сжатию звезды. Многие белые карлики находятся в центрах планетарных туманностей. Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы Земли. В биосфере живое вещество и окружающая неорганическая среда взаимосвязаны и образуют целостную динамическую систему. В ней совокупная деятельность живых организмов (в особенности – человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биогенез: 1) процесс возникновения живого из неживого в процессе эволюции Земли; 2) образование органических соединений живыми организмами; 3) в широком смысле эмпирическое обобщение, утверждающее, что все живое происходит только от живого. Биогеосфера – оболочка земного шара (часть биосферы), в которой сконцентрирована основная масса живого вещества планеты; расположена на контакте поверхности литосферы, приземного слоя атмосферы и верхних слоев гидросферы. Биом (от biome – совокупность): 1) сочетание видов живого и окружающей их среды, составляющее экосистему географической зоны или сектора природного пояса (например степи, пустыни); 2) совокупность видов животных и растений, составляющих живое население к.-л. региона, территории любой размерности. Биота (от греч. biote – жизнь): 1) исторически сложившаяся совокупность растений и животных на определенной территории, в отличие от понятий биоценоз, биом биота не подразумевает экологических связей между видами; 2) совокупность организмов, населяющих к.-л. произ-вольно выбранный регион, вне зависимости от функциональной и исторической связи между ними; 3) любая совокупность живых организмов (биота скал, леса, степи и др.). Биоценоз – совокупность живой природы: растений, насекомых, животных, населяющих данную географическую и климатическую область, с установившимися взаимными отношениями и приспособившиеся к условиям окружающей среды. Бифуркация, в переводе означает раздвоение – в динамике нелинейных процессов проявляется как появление вместо одного уровня, характеризующего состояние системы, двух уровней. На последующих шагах во времени система попеременно переходит с более низкого уровня на более высокий и обратно. При росте величины управляющего параметра, каждый из уровней вновь разделяется на два, в момент достижения критического значения управляющего параметра и так далее. Вакуум (от лат. vaccuum – пустота): 1) пустое пространство, в котором отсутствуют реальные частицы, однако в нем могут существовать гравитационное, электромагнитное и др. физические поля; 2) состояние в некотором объеме, в котором находится газообразное вещество при очень малых давлениях; 3) в квантовой теории поля – основное, наинизшее энергетическое состояние квантового поля, при котором среднее число частиц (квантов поля) равно нулю, но в нем может происходить виртуальное рождение виртуальных частиц в соответствии с законом эквивалентности энергии и массы А. Эйнштейна. Вид: 1) в логическом смысле – понятие, которое образуется посредством выделения общих признаков в индивидуальных понятиях и само имеет общие признаки с др. видовыми понятиями; из понятия вида может быть образовано еще более широкое понятие –понятие рода; 2) в биологии – общность родственных между собой индивидов, известные признаки которых, остающиеся относительно неизменными, совпадают. Здесь вид – это качественно обособленная форма живого вещества, являющаяся основной единицей эволюционного процесса. Виртуальные частицы – теоретически возможные элементарные частицы, непрерывно возникающие и исчеза ющие в очень короткие, экспериментально не наблюдаемые, промежутки времени. Вирусы – мельчайшие внеклеточные образования, состоящие из белковой оболочки (капсида), цепей ДНК или РНК (у ретровирусов) и некоторых ферментов (в частности – ревертразы). Внедряясь в клетку, вирус оставляет в ней свою ДНК, которая использует биосинтезирующий аппарат клетки для своего расширенного воспроизводства и производства белковой оболочки. Ферменты способствуют внедрению вирусной ДНК в соответствующие капсиды и выходу зрелых вирусов из клетки. Клетка – хозяин при этом, как правило, погибает, что вызывает заболевание организмов. Капсид вируса желтой мозаики. Витализм (от лат. vitalis – жизненный) – концепция в биологии, основывающаяся на якобы присутствующем в организме особом нематериальном начале, некоторой «жизненной силе», направляющей жизненные явления, развитие организма. Волны материи – термин, закрепленный за волнами Дебройля. На основании корпускулярно-волнового дуализма материи они интерпретируются как волны вероятности, задаваемые волновой функцией. Вселенная – весь существующий материальный мир. Вселенная, изучаемая астрономией, – часть материального мира, которая доступна наблюдениям астрономическими средствами; эту часть Вселенной часто называют Метагалактикой. Галактика Млечный Путь – наша звездная система, включающая в свой состав не менее 100 млрд звезд, в том числе и Солнце со всеми планетами. Относится к спиральным галактикам с пересечением (баром). Характерной особенностью спиральных галактик являются рукава, в одном из которых в нашей Галактике находится Солнце. Центр Галактики находится в направлении от Земли к созвездию Стрельца. Галактики – гигантские звездные скопления во вселенной, насчитывающие сотни миллиардов звезд, движущихся совместно. Рукава галактик представляют собой гигантские спиральные волны в газопылевых дисках многих звездных «островов». В последние годы обнаружены многочисленные столкновения и слияние галактик. Гелиобиология (от греч. Helios – Солнце и биология) – раздел биофизики, исследующий влияние солнечной активности на земные организмы и их сообщества, включая человека. Солнечные циклы в 11,5; 88; 400 и 600 лет влияют на многие эволюционные и экологические процессы (кратко- и долговременные изменения численности организмов, периодичность эпидемий, обострение психических расстройств и заболеваний и др.). Основоположник гелиобиологии – русский биолог А.Л. Чижевский. Ген – единица наследственного материала, ответственного за формирование какоголибо элементарного признака живого организма. У высших организмов входит в состав хромосом. Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Генотип человека составляет около 3000 генов. Ген является участком ДНК и содержит определенную только для него последовательность нуклеотидов. Отдельный ген является базой для синтеза (в результате альтернативного сплайсинга) многих белков. Расшифровка генетического кода была сделана в 1961 г Маршаллом Ниренбергом. Генетика – наука о наследственности и методах ее изменения. Основы генетики заложены Г. Менделем и Т.Х. Морганом, обосновавшим хромосомную теорию наследственности. Тесно связана с учением об эволюции живого вещества на Земле. Генная инженерия – междисциплинарная научная дисциплина, ставящая своей целью конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основана на извлечении из клеток организма гена или группы генов и на последующем соединении их со специальными молекулами ДНК (плазмидами), способными проникнуть в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Служит основой современных биотехнологий, Геном (от англ. genome, греч. genos – происхождение): 1) совокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом данной растительной или животной клетки; 2) совокупность наследственных признаков, локализованных в ядре клетки. Генотип – совокупность всех наследственных свойств особи, локализованных в ее хромосомах; наследственная основа организма, составленная совокупностью генов (геномом) и неядерных (цитпоплазматпических) и пластпидных (плазмоном) носителей. Генотип – это сложно взаимодействующая система наследственных задатков, носитель наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение, контролирующий развитие, строение и жизнедеятельность организма, совокупность всех признаков организма – его фенотип. Генофонд: 1) совокупность генов (аллелей) группы особей популяций, группы популяций или вида, в пределах которых они характеризуются определенной частотой встречаемости (относительной численностью); 2) вся совокупность видов живых организмов с проявившимися и потенциальными наследственными задатками. Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое в форме научных понятий с целью восполнить пробелы эмпирического познания или связать различные эмпирические знания в единое целое, либо выдвигаемое для объяснения какого-либо явления, фактов и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией. Глюоны (от англ. glue – клей) – частицы поля с нулевой массой и спином, равным единице. В отличие от фотонов, переносят свойство, названное цветовым зарядом. Поэтому их иногда образно называют «окрашенными фотонами». Глюоны являются переносчиками самых мощных цветовых сил взаимодействий между кварками. Гомеостаз – состояние подвижного динамического равновесия природной системы (в частности, отдельной клетки), направленное на максимальное ограничение воздействий внешних факторов и среды, на сохранение относительного постоянства структуры и функций в системе. Гомеостаз рализуется комплексом сложных приспособительных реакций, регулирующих возобновление основных ее структур, вещественно-энергетического состава и внутренних свойств. Гормоны (от греч. hormao – привожу в движение, побуждаю) –биологически активные вещества, продукт желез внутренней секреции, оказывающих целенаправленное воздействие на клетки, органы и ткани организма; участвуют во всех процессах роста, развития, размножения и обмена веществ. Гормоны по химической структуре относятся к белкам, производным аминокислот, стероидам, липидам и т. д. Гравитон – квант поля тяготения, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и целочисленный спин, равный 2. Гуманитарный – имеющий отношение к сознанию человека и человеческому обществу; обращенный к человеческой личности. Различие между естественнонаучными и гуманитарными знаниями заключается в том, что первые основаны на разделении субъекта (человека) и объекта (природы), при преимущественном внимании к объекту со стороны субъекта (человека), тогда как вторые имеют отношение прежде всего к самому субъекту. Дайсер (от англ. to dice – нарезать кубиками) белковый ферментативный комплекс, разделяющий двойные цепочки РНК на короткие участки, содержащие 21–23 нуклеотида (так называемые siRNA), которые принимают участие в РНКинтерференции. Дарвинская триада – три основных понятия учения Ч. Дарвина о происхождении видов, введенные в науку его немецким последователем Э. Геккелем. Это следующие понятия: 1) наследственность, 2) изменчивость, 3) естественный отбор. Дискретность – прерывность, раздельность; в физике и химии означает зернистость строения материи, ее атомистичность; в биологии дискретность наследственности – это возможность независимого наследования, развития и изменения разных свойств и признаков организма. Дискурсивный (от лат. diseursus – рассуждение, довод) –рассудочный, логический, понятийный, опосредствованный в отличие от чувственного, созерцательного, непосредственного. Дифракция – явление огибания волнами таких препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны. Характерное свойство не только звуковых волн или волн на поверхности жидкостей, но электромагнитных волн. Обнаружена так же дифракция электронов и других микрочастиц на кристаллах, свидетельствующая о наличии у них волновых свойств. ДНК – аббревиатура дезоксирибонуклеиновой кислоты. Длинные цепи ДНК построены из элементарных звеньев – нуклеотидов. Последовательности кодонов, разделенных интронами, составляют единицы наследственной информации – гены. В ядрах клеток двойные цепи ДНК навиты на нуклеосомы. Дуализм свойств материи – свойство микрочастиц вещества (элетронов, нейтронов, атомов водорода) образовывать картины дифракции при рассеянии на кристаллах, вместе со свойством частиц полей обнаруживать корпускулярные свойства (в прямом и обратном эффектах Комптона, в тепловом электромагнитном излучении, в фотоэлектрическом эффекте). Естественные науки – в эпоху Просвещения (XVIII в.) так стали называться науки, занимающиеся исследованием природы. Начало исследованиям в этом направлении положили античные натурфилософы, включая природу в круг своей мыслительной деятельности. Со временем произошло дифференцирование (расчленение) единой науки о природе на отдельные ее отрасли – в зависимости от предмета исследования. В настоящее время под естественнонаучными дисциплинами понимают, прежде всего, физику, химию, астрономию, биологию, медицину и некоторые другие, противопоставляя их с одной стороны гуманитарным (общественным) наукам, с другой – техническим. Естественный отбор – процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных; следствие борьбы за существование. Понятие о естественном отборе как основном движущем факторе исторического (эволюционного) развития живой природы введено в науку Ч. Дарвиным. В настоящее время данный фактор рассматривается наряду с другими. Законы Бэра в биологии – обобщение закономерностей зародышевой организации и эмбрионального развития различных классов позвоночных животных: общее образуется в зародыше раньше, чем специальное; из более общего образуется менее общее, пока не возникнет самое специальное, т. е. по цепочке признаков «тип, класс, отряд и т. д.» до появления индивидуальных признаков особи; зародыши разных классов вначале сходны, а затем отклоняются в своем развитии друг от друга; «...зародыш высшей животной формы никогда не бывает похож на другую животную форму, а лишь на ее зародыша». Приведенные законы сформулированы русским эмбриологом Карлом Максимовичем Бэром в 1828 году. Дарвин назвал это обобщение «законом зародышевого сходства» и использовал его для доказательства биологической эволюции. Закон природы – объективный, часто математически выраженный закон природного явления, который совершается при известных обстоятельствах всегда и всюду с одинаковой необходимостью. Законы Менделя: 1) первый закон доминирования, он же закон единообразия гибридов первого поколения – первое поколение гибридов, в силу проявления у них лишь доминантных признаков, всегда единообразно; 2) второй закон расщепления гибридов второго поколения – во втором поколении гибридов соотношение особей с доминантными и рецессивными признаками статистически равно 3:1; 3) третий закон независимого комбинирования признаков – гены одной аллельной пары распределяются в мейозе независимо от генов других пар и комбинируются в процессе образования гамет случайно, что ведет к разнообразию вариантов их соединений. Знание: 1) проверенный практикой результат познания действительности, верное ее отражение в мышлении человека, обладание опытом и пониманием, которые являются правильными и в субъективном и объективном отношении и на основании которых можно построить суждения и выводы; 2) достоверное, истинное представление о чем-либо в отличие от вероятностного мнения. Идеализация: 1) мыслительное конструирование понятий об объектах, процессах и явлениях, не существующих в реальности, в природе, но для которых есть исходные прообразы в реальном мире (например точка, плоскость – идеально гладкая и абсолютно ровная поверхность, абсолютно твердое (упругое) тело, идеальная жидкость, идеальный газ и т. д.). Идеализация физических тел и понятий пространства, времени и пр. послужила началом возникновения классической науки Галилея – Ньютона, так как позволяет формулировать законы, строить абстрактные схемы реальных процессов и т.д.; 2) представление кого-либо или чего-либо лучшим, чем есть на самом деле, в действительности; наделение качествами, соответствующими идеалу. Иерархия (греч. hieros – священный + arche – власть): 1) в буквальном смысле слова – господство святых, субординация священников; 2) в переносном смысле слова – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему (например иерархия наук, иерархия ценностей). Изменение – превращение в другое, переход из одного качественного состояния в другое, из одного определенного бытия в качественно другое бытие. Аристотель рассматривал четыре вида изменений: изменение места, качества, количества и субстанции. Интеллект (от лат. intellectus – познание, понимание, рассудок) – разум, способность мышления (мыслить), совокупность тех умственных функций (сравнения, абстракции, образования понятий, суждения, заключения и т. д.), которые превращают восприятия в знания или критически пересматривают и анализируют уже имеющиеся знания. Интерференция – физическое явление, общее для волн различной природы, от радиоволн до рентгеновских лучей. Характеризуется периодическим чередованием минимумов и максимумов интенсивности результирующего волнового поля, если выполнены условия когерентности волн. Интуиция – непосредственное постижение истины без обоснования с помощью логических, математических или др. доказательств, чутье, проницательность. Информация: 1) в широком смысле – сведения, передаваемые людьми устно, с помощью письменности, другим символьным образом; сообщение о чем-либо; 2) в кибернетике количественная мера устранения неопределенности, мера организованности системы; 3) совокупность знаний, фактов, сведений, представляющих интерес и подлежащих хранению и обработке в вычислительных машинах. Исследование научное – процесс получения новых знаний, один из видов познавательной деятельности, характеризующийся определенными критериями научности (повторяемостью, доказательностью, системностью, полнотой и др.), объективностью, точностью. Имеет два уровня – эмпирический и теоретический, возможна классификация исследований на фундаментальные (присущие, в основном, естественным наукам), прикладные, количественные, качественные и т. п. Кайнозой (от греч. kainos – новый + zоз – жизнь) – новейшая эра геологической истории Земли, охватывающая последние 60–70 млн лет, и соответствующая ей группа отложений горных пород. Характеризуется интенсивными тектоническими (горообразовательными) движениями, мощным оледенением материкового типа. В органическом мире господствующее положение занимают млекопитающие; животные и растения близки к современным, в конце эры появляется человек. Подразделяется на палеоген, неоген и антропоген (он же четвертичный период). Картина мира (образ мира) – совокупность мировоззренческих знаний о мире; совокупность предметного содержания, которым обладает человек. Различают чувственно-пространственную, духовно-культурную и метафизическую картины мира, а также физическую, биологическую, философскую картины мира. Катализ – возбуждение химических реакций или изменение скорости их протекания посредством добавления особых веществ – катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ход ее протекания. Катализаторы не смещают равновесие, а изменяют скорости прямой и обратной реакций, способствуют скорейшему достижению равновесия. Биологические катализаторы называют энзиммами (ферментами). Кванты энергии электромагнитных полей – дискретные порции энергии, величина которых определяется простой формулой Планка: Е = hν, где ν – частота, h – постоянная Планка. Кварки – фундаментальные микрочастицы вещества из которых состоят элементарные частицы – адроны. Характеризуются дробной величиной электрического заряда, если его выражать в единицах заряда электрона: плюс две трети и минус одна треть. Обладают свойством, названным цветовым зарядом, трех категорий: красный, синий, зеленый. Цвет кварка изменяется при поглощении или испускании кванта глюонного поля (глюона). Притяжение между кварками резко возрастает при их расхождении друг от друга. Поэтому свободные кварки в экспериментах не зафиксированы. Протоны и нейтроны содержат по три кварка, мезоны содержат комбинации пар кварк – антикварк. Классическая физика – часть естествознания, объединяющая изучение объектов, явлений и процессов на основании следующих представлений: 1). Объекты делятся на два вида – вещество (тела) и (силовое) поле. Основной признак вещества – корпускулярность (дискретность), поля – континуальность (сплошность) и осуществление взаимодействия между веществами (телами). 2). Свойства тел сводимы к свойствам их составных частей; корпускулы вещества обладают только (инертной) массой т и электрическим зарядом q. 3). В каждый момент времени физический объект находится в строго определенном состоянии, и дальнейшее изменение его состояния во времени происходит непрерывно. 4). Законы физики позволяют однозначно определить будущее состояние объектов по их состоянию в данный момент времени. Клетка – элементарная единица живого вещества, основа строения и жизнедеятельности водорослей, растений и животных. Клетки существуют как отдельные микроорганизмы и в составе многоклеточных организмов. В последнем случае клетки специализированы по функциям и имеют различное строение. Размеры клеток варьируют от 0,1 – 0,25 мкм до 155 мм – это яйцо страуса в скорлупе. Клонирование – получение генетических копий организмов с помощью методов молекулярной генетики (генной инженерии), как правило при бесполом размножении. Коацерваты (от лат. coacervatus – накопленный, собранный) в коллоидном растворе капельки или слои с большей концентрацией коллоида, чем окружающий раствор. В гипотезе происхождения жизни Александра Опарина коацерваты предшествуют клеткам. Код генетический – свойственная живым организмам единая система кодирования, молекулярной «записи» информации в молекулах нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Реализуется в виде кодонов. Каждый кодон определяет «запись» одной и только одной аминокислоты (свойство однозначности). Однако несколько кодонов могут «обозначать» одну и ту же аминокислоту (вырожденность кода). Использование троек нуклеотидов в генетическом коде предсказал Д.A.Г амов. Из 64 кодонов три кодона «белые», не обозначающие какую-либо аминокислоту. Их роль – показать начало и конец гена (стоп-кодоны). Символами генетического кода выступают начальные заглавные буквы русского или латинского алфавита названий четырех азотистых оснований нуклеотидов: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин в молекулах ДНК и У (U) – урацил в молекулах РНК. Комплементарность (от лат. complementum – дополнение) –пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Особую роль комплементарность играет в молекулах нуклеиновых кислот – ДНК. Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку. Комплементарный – значит дополняющий. Консументы – живые организмы, играющие в биосфере роль потребителей веществ, созданных или входящих с состав других организмов. Консументы первого порядка – растительноядные животные, рыбы, птицы, насекомые. Консументы второго и более высокого порядка – хищники. Концепция – вполне определенный способ понимания и объяснения, обобщенная основная идея или точка зрения на что-либо в мире вещей и идей. Выступает как ведущий замысел и конструктивный принцип в различных видах деятельности, в том числе – в науке и искусстве. Корпускулярно-волновой дуализм – наличие корпускулярных свойств у физических полей и волновых свойств у микрочастиц вещества, неотделимых одно от другого. Примером является корпускулярно-волновой дуализм у электромагнитного поля и у фотонов: в явлениях дифракции и интерференции проявляются волновые свойства этих микрообъектов, а в явлениях фотоэффекта, комптоновского рассеяния, выявляются их корпускулярные свойства. Космогония: 1) раздел астрономии и астрофизики о происхождении и развитии (эволюции) небесных тел, их систем, галактик, метагалактики и Вселенной в целом; 2) в религиозных учениях – мифы о сотворении и развитии мира. Космология – физическое учение о развитии Вселенной как единого целого; представление о мироздании с позиций его возникновения, через космогонию. Космос – мир, мыслимый как упорядоченное единство, целое (в противоположность хаосу как беспорядку); первоначальный смысл слова – порядок, гармония, построение, устроение. Коэволюция – параллельная, совместная эволюция, а точнее, историческая адаптация природы и человечества; взаимное приспособление в ходе эволюции: разных форм живого, обитающих совместно (насекомых и опыляемых растений); разных органов одной особи. Красный гигант – одна из стадий эволюции звезд главной последовательности, во время которой давление водородной плазмы превышает силы гравитации и размеры звезды увеличиваются в сотни раз. Наше Солнце на этой стадии поглотит Меркурийи и испарит океаны Земли, а близкие к современным земным условия будут созданы на Титане (спутнике Сатурна). Креативность (от лат. сrеаrе – создавать) – способность сделать или каким-либо иным способом осуществить нечто новое: новое решение проблемы, новый метод, новое произведение искусства; синоним слова «творческий». Креативность находится в постоянном противоречии с установившимся, общепризнанным, как дуализм интеллекта и интуиции, сознания и нетрадиционного, сложности и простоты. бессознательного, общепринятого и Культура (от лат. cultura): 1) в первом значении этого латинского слова – обработка и уход за землей, с тем чтобы сделать ее пригодной для человеческих потребностей; 2) в широком смысле культура – это совокупность проявлений жизни, достижений и творчества народа, этноса. Различие между культурой и цивилизацией состоит в том, что культура – это выражение и итог (результат) самоопределения воли народа, в то время как цивилизация – это совокупность достижений техники, технологий и связанного с ними комфорта. Ламаркизм – первое в истории биологии учение об эволюции живой природы, заключающееся в признании изменчивости видов, их усложнения главным образом под воздействием внешней среды и некоторого внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Концепция выдвинута французским естествоиспытателем Жаном Ламарком. Ле Шателье – Брауна принцип устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее физико-химическую систему из состояния равновесия, вызывает в этой системе процессы, стремящиеся ослабить результат этого воздействия. Значение принципа в том, что он позволяет без особого конкретного анализа пред сказать направление в котором под влиянием внешнего воздействия изменится термодинамический процесс, протекающий в произвольной системе. Лептоны – не содержащие в себе других микрочастиц, действительно элементарные частицы вещества, имеющие отличную от нуля массу покоя: электрон, мюон, таон и соответствующие им три типа нейтрино (нейтральные лептоны). Электрон, мюон и таон имеют «близнецов» – противоположно заряженные античастицы, антинейтрино тождественны по массе, спину и заряду самим нейтрино. Липиды (от греч. lipos – жир) – обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Литосфера Земли – ее каменная, твердая оболочка, толщина которой на дне океанов составляет 3–7 км, на суше 30–40 км. Ниже располагается вязкая астеносфера толщиной около 700 км. Магнитосфера Земли – область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц солнечного и галактического происхождения. Макроэволюция в биологии – эволюционные преобразования, происходящие на надвидовом уровне и обусловливающие формирование все более крупных таксонов (от родов до типов и царств природы). Осуществляется в течение длительных промежутков времени, составляющих многие миллионы лет, через процессы микроэволюции. Максимон – гипотетическая микрочастица, масса покоя которой рассчитана на основании формулы размерности массы, выраженной через размерности фундаментальных постоянных: скорости света, гравитационной постоянной и hC m . Примерно равна величине 0,05 грамма. постоянной Планка: G Метаболизм (от греч. metabole – перемена, превращение) – обмен веществ, совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции в растениях, животных, микроорганизмах. Метагалактика (от греч. meta – после, за, между) – изученная в настоящее время часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами. В состав Метагалактики по современным данным входит несколько миллиардов галактик, образующих однородную крупномасштабную ячеистую структуру. Метафизика – (так было названо Андроником Родосским сочинение Аристотеля по «первой философии», помещенное после его трактатов по физике, и предметом которой было «бытие как таковое»): 1) философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия, в том числе принципов существования человека; 2) в марксистской философии – метод познания, противоположный диалектике, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития; 3) в некоторых философских школах то же, что онтология; 4) в широком смысле – что-то отвлеченное, умозрительное и поэтому малопонятное и туманное. Метод (от греч. methodos – путь исследования, путь к чему-либо) – совокупность приемов или операций, позволяющая решать определенный класс задач, проблем. Методология (метод + логия) – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности и познания. Моделирование – научный метод изучения объектов, явлений или процессов путем замены реального прототипа его моделью. Результаты, полученные на модели, переносятся и на прототип, при условии однозначной связи по исследуемому параметру прототипа и его модели. В широком смысле модель – это любое предметное или условное изображение (описание, схема, чертеж, план, описание и т. д.) объекта – прототипа. Мозг – основная часть нервной системы организмов, состоит из большого числа специализированных нервных клеток – нейронов. Левая часть головного мозга человека представлена на рисунке. Кроме головного, имеется так же спинной мозг. Нервная ткань мозга состоит из серого вещества (скопления главным образом нервных клеток) и белого вещества (состоящего в основном из нервных волокон). В левой части головного мозга расположены зоны, ответственные, преимущественно, за абстрактно-логическое мышление, в правой – за образно-эмоциональное. Мониторинг (от англ. monitoring, от лат. monitor – тот, кто напоминает, предупреждает) – слежение за какими-либо объектами или явлениями. В самом широком смысле – многоцелевая информационная система, основные задачи которой – наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды под влиянием антропологического воздействия с целью предупреждения о создающихся критических, катастрофических ситуациях, вредных для здоровья людей, животного и растительного мира и т. д. Мультиверсум – термин для обозначения гипотетического существования множества вселенных, с различными фундаментальными постоянными. Мутация (от лат. mutatio – изменение, перемена): внезапное изменение наследственных структур организма, вызванное естественным или искусственным путем; мутация является основой наследственной изменчивости в живой природе. Примером мутации будет перестановка одного или нескольких нуклеотидов в кодоне. Так как «считывание» информации происходит именно по тройкам нуклеотидов, смысл будет совсем другим: вместо «-жил-был-кот-» станет «-жил-был-кто-» или «жил-бык-тол-». Мутагенез – процесс возникновения мутаций. Основа мутагенеза – изменения в молекулах нуклеиновых кислот. Наблюдение – научный метод целенаправленного восприятия (в том числе и с помощью приборов), обусловленного поставленной задачей, как правило, не изменяющий состояния объекта, явления, процесса. Научное наблюдение отличается от поэтического созерцания или медитации объективностью, то есть возможностью повторения результатов наблюдения другими учеными или другими методами (например в эксперименте). Направленность эволюции – причинно-следственная цепь, ведущая кратчайшим путем к изменениям живого от простого к сложному, от менее приспособленных к более приспособленным, запрещающая другие направления развития. Наследственность – свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и свойства: типы обмена веществ, психологические особенности и типы индивидуального развития и т. д. Вместе с изменчивостью наследственность обеспечивает, согласно взглядам Дарвина, постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Натурфилософия (от лат. natura – природа) – понятие «phiiosophia naturalis» впервые встречается у римского философа Сенеки в I веке н. э., почти через VI веков после основания натурфилософии – философами милетской (ионийской) школы. По первоначальной сущности, это философия природы, умозрительное (теоретическое, так как «теория» с греческого –умозрение) истолкование природы, рассматриваемое в ее целостности, в основе которой был античный космоцентризм. В античности поставленные вопросы о материи и ее атомистической структуре, о математической гармонии Вселенной, о соотношении вещества и силы, органического и неорганического с естественнонаучных позиций начинает решать впервые Аристотель. Новые идеи были внесены в средние века Фомой Аквинским и Альбертом Великим, позднее, когда все более важную роль начинает играть наблюдение и опыт, то идеи таких мыслителей, как Роджер Бэкон, Николай Орезмский и др. Постепенно возникает натурфилософия неорганического (Леонардо да Винчи, Коперник, Кеплер, Декарт, Фрэнсис Бэкон, Галилей), завершившаяся созданием классической механики, фактически отвергшей натурфилософию в ее старом понимании. (цитируется по ….). Нейрон – нервная клетка с отростками (аксон и дендриты) проводящая нервные импульсы к органам. Взаимодействие нейронов между собой и с органами производится через синапсы. Основная структурная и функциональная единица нервной системы. Нейтрон – элементарная частица, состоящая из трех кварков: одного верхнего (с зарядом плюс две трерти) и двух нижних (с зарядом минус одна треть каждый) Нейтроны входят в состав ядер всех атомов, кроме водорода. В свободном состоянии нейтрон не стабилен, среднее время его жизни не превышает 17 минут. Нейтронная звезда – конечный продукт вспышки сверхновой звезды, если в исходном состоянии ее масса не превышала 2,5 масс Солнца. При образовании нейтронной звезды гравитационные силы, образно говоря, впрессовывают электроны в протоны, превращая их в электрически нейтральные частицы. Обладает сильным магнитным полем и обнаруживает себя по мощному импульсному радиоизлучению в качестве пульсара. Нелинейная среда – среда, свойства которой зависят от интенсивности взаимодействующих с ней физических полей, в первую очередь электромагнитного (например под воздействием лазерного излучения). В нелинейной среде нарушается суперпозиция волн и полей. Неравновесное состояние – состояние термодинамической системы, характеризующееся неоднородностью макроскопических величин (температуры, давления, концентрации и т. д.), что ведет к необратимым процессам, в результате которых изолированная (закрытая) система достигает равновесия. Ноосфера – такой этап развития биосферы, когда человеческий разум и направляемая им производственная деятельность всего человеческого общества, становится одним из факторов геологического и климатического состояния планеты. Иными словами ноосфера – это область преобразования природы сферой разумной жизни. Термин введен в научный обиход В.И. Вернадским (Научная мысль как планетарное явление, Биосфера и ноосфера и др. труды). Нуклеосома – комплекс специализированных белковых молекул (гистонов), вокруг которых обвиваются, как шнуры, двойные цепи ДНК. Это позволяет разместить в малом геометрическом объеме большое количество цепей ДНК без их запутывания между собой (гистоны играют роль своеобразной молекулярной «катушки»). Нуклеотиды – составные части нуклеиновых кислот. В общем виде построение молекул нуклеотидов показано на схеме. С одной стороны к пентозе присоединяется одно из 5 видов азотистых оснований, с другой – остаток фосфорной кислоты. Если в пентозе содержится две группы ОН, то это рибоза, такой нуклеотид входит в состав РНК. Если вместо ОН остается только атом кислорода О, то пентозу называют дезоксирибозой, такие нуклеотиды входят в состав ДНК. Индивидуальность нуклеотидам придает азотистое основание: аденин, гуанин, тимин, урацил и цитозин. Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные цепи, звеньями остатки нуклеотидов. При образовании цепи (полимеризации) одного нуклеотида присоединяется к свободному «уголку» нуклеотида так, что каждая пентоза оказывается «висящей» фосфорной кислоты. которых являются фосфатная группа пентозы другого на двух остатках Озон – химическая модификация кислорода, молекулы озона содержат три атома кислорода. Образуется в атмосфере при электрических разрядах (грозе) или под действием ионизирующих излучений. В том числе – под действием ультрафиолетового излучения Солнца, поглощая его при этом. Озоносфера – область атмосферы Земли, расположенная на высоте от 10 до 50 км от поверхности земли, с максимумом на высоте 20-25 км. Предохраняет поверхность Земли от избыточного освещения ее УФ излучением Солнца. Производство легко испаряющихся жидкостей типа фреонов и накопление их в атмосфере Земли приводит к образованию «озоновых дыр», что может иметь негативные последствия для живых организмов. Онтогенез – индивидуальное развитие организмов, охватывающее все изменения от его зарождения до смерти. Следует рассматривать в единстве с историческим развитием рода или вида (филогенезом). Организация: 1) соединение индивидов в единое целое для совместного труда, в котором они становятся взаимосвязанными «орудиями» (органами) целого; 2) совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого; 3) внутренняя упорядоченность, взаимодействие более или менее дифференцированных и автономных частей целого, обусловленные его строением. Открытые системы – системы, способные к свободному обмену веществом с окружающей средой, к которым могут быть отнесены физические (термодинамические), химические, биологические системы, в том числе живые организмы, в которых наблюдается метаболизм. Состояния систем могут быть далекими от равновесных. Относительности принцип – фундаментальный физический принцип, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета движение объектов и процессы, его сопровождающие, происходят по одинаковым законам, одинаковым образом. Принцип относительности лежит в основаниях классической механики, квантовой механики, электродинамики, теории относительности и теорий квантовых полей. Парадигма – научная теория, воплощенная в определенной системе понятий, или общая схема, алгоритм постановки новых научных проблем и способов их решения, преобладающая в данной науке или в обществе в течение определенного периода их развития. Смена парадигм происходит в ходе научных революций. Понятие парадигма введено в науку философом-позитивистом Г. Бергманом и было широко распространено американским физиком Томасом Куном, творцом теории научных революций. Плазма: 1) ионизованный электрически нейтральный газ, смесь ионов атомов и электронов, находящаяся, как правило, при высокой температуре. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзаездная среда. Наблюдается плазма также вблизи Земли в некоторых ее геосферах (магнитосфере, ионосфере). 2) плазма крови есть жидкая ее часть, в которой, собственно, и находятся форменные элементы крови: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты. Поле физическое – пространство, в котором можно обнаружить какие-либо физические воздействия; употребляют термин поле и в других науках или сферах деятельности: поле чувств, поле восприятия, поле зрения, поле напряжений, поле алгебраическое, например, поле комплексных чисел и т. д. Популяция – совокупность всех особей одного биологического вида, длительное время живущая на определенной местности и там воспроизводящая себя в нескольких поколениях (т.е. обладающая определенным генофондом). Рассматривается как элементарная единица эволюции. На изменения среды может реагировать перестройкой своего генофонда. Порядок: 1) ясная и четкая организация какой-либо сферы действительности (примеры: математический порядок, политический, в сфере психического и т. д.); порядок как метафизический принцип существовал уже в античной космологии (слово «космос» для греков и означало «порядок»); лучший пример порядка в целесообразном единстве многообразия; 2) в биологии таксономическая категория (ранг) в систематике растений, бактерий и грибов, где в порядок объединены родственные семейства, далее близкие порядки образуют класс. В систематике животных порядку соответствует отряд. Представление: 1) в узком смысле – появляющийся в сознании образ ранее воспринятого предмета или явления, после того как представляемое объективно уже не присутствует, а также образ, созданный продуктивным воображением; 2) в широком, более точном, смысле – предмет мышления, чувствования, волнения, фантазии или мечтания, когда он целиком является наглядным, когда индивиду удается как бы поставить его перед собой как нечто воспринимаемое. Принцип дополнительности Бора – одно из фундаментальных положений квантовой теории, состоящее в том, что в акте измерения могут быть установлены, с точностью, допускаемой соотношением неопределенностей Гейзенберга, либо энергия и импульс квантовой системы (микрообъекта), либо ее пространственные координаты и время (пространственно-временное поведение системы). Эти две картины не могут проявляться вместе, одновременно, но, как считал датский физик Нильс Бор, могут дополнять одна другую. Следует отметить, что они именно не одновременны, а потому не могут быть сопоставимы, так как каждая из этих картин «смазывает», «размывает» другую, дополнительную. Принцип соответствия – возникший в физике принцип, утверждающий, что каждая более глубокая теория содержит, при некотором предельном переходе, ранее ей предшествующую, не столь глубокую (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях объектов переходит в классическую механику Ньютона). Принцип был введен датским физиком Нильсом Бором. Проблема – сложная теоретическая или практическая задача, требующая для своего решения новых знаний, подходов, методов. Протозвезды – начальный этап эволюции всех звезд, характерной чертой которого является реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия (состоящих из протона и одного нейтрона), а не из ядер водорода, как в обычных звездах. Являются мощными источниками инфракрасного излучения. Процесс: 1) последовательная смена явлений, состояний в развитии чего-нибудь; 2) совокупность последовательных действий для достижения какой-либо цели, результата. Портрет фазовый – семейство кривых, построенных в фазовом пространстве, координатами которого являются любые параметры, характеризующие состояние системы ( в том числе – временные и пространственные координаты Продуценты – микроорганизмы и растения, способные к фотосинтезу или хемосинтезу, являющиеся автотрофами и создающие органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца или химических реакций. Первое и основное звено рециклинга органических веществ в природе. Протон – стабильная микрочастица, как элемент входящая в состав ядер атомов, и, в свою очередь, содержащая в себе три действительно фундаментальные частицы: два верхних кварка (с зарядом плюс две трети каждый) и одного нижнего кварка ( с отрицательным зарядом в одну треть от заряда электрона). u u d Развитие – закономерное изменение материи и сознания, их универсальное свойство; собственно развертывание до тех пор «свернутого», выявление, обнаружение вещей, частей, состояний, отношений, которые имелись и прежде, существовали в потенции, но не были доступны восприятию. Развитие бывает или экстенсивным (проявление и увеличение уже имевшегося) или интенсивным. Раса – исторически сложившаяся группа людей, в которой характерный внешний облик обусловлен общими наследственными признаками (цветом кожи, глаз, волос, формой черепа, ростом и т. д.). Основные человеческие расы – европеоидная, негроидная и монголоидная. К этим расам некоторые ученые добавляют еще две – американских индейцев (америндов) и австралоидов. Все расы абсолютно равноценны в биологическом и психическом отношениях и находятся на одном и том же уровне эволюционного развития. Редукционизм (от лат. reductio – возвращать, отодвигать назад) – методологический принцип, основывающийся на возможности объяснения сложного на основе законов простого (например, явления биологии объяснять законами физики и химии и т. п.). Редукция: 1) сведение сложного к простому, составного к элементарному; действия или процессы, приводящие к упрощению структуры какого-либо объекта, методологический прием сведения данных к исходным началам; 2) в биологии – уменьшение числа, размеров органов и тканей, упрощение их строения или утрата ими функций в процессе эволюционного или индивидуального развития организма, вплоть до полного исчезновения органа или ткани. Редуценты – микроорганизмы, разлагающие отмершее органическое вещество на исходные низкомолекулярные соединения, которые могут быть усвоены продуцентами. Реликтовое излучение (от лат. relicium – остаток) – космическое электромагнитное излучение, связанное с эволюцией Вселенной, начавшей свое развитие после «Большого взрыва»; фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Теоретически было предсказано Г.А. Гамовым. Репликация – создание себе подобной структуры; в молекулярной генетике – синтез на каждой из нитей молекулы ДНК, иногда РНК, парной ей нити; репликация лежит в основании механизма передачи наследственной информации. Рибосомы – внутриклеточные «станки», на которых происходит сборка цепей белков. Содержат большую и малую субъединицы, каждая из которых состоит из белкового комплекса, обволакивающего центральную молекулу рРНК. РНК – сокращение от рибонуклеиновая кислота. В качестве пентозы содержит рибозу, в РНК входят четыре азотистых основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. Самые длинные цепи имеют матричные мРНК, самые короткие – транспортные тРНК, рибосомные имеют промежуточные размеры. РНК-интерференция – явление подавления экспрессии генов (синтеза белка кодируемого геном) малыми (21–23 нуклеотида) РНК, комплементарными участку матричной РНК. РНК-переключатели (РНК-реле) – малые РНК, изменяющие свою конфигурацию при соединении с некоторыми молекулами и активирующие тем самым (или блокирующим) синтез специфических белков, альтернативный сплайсинг и другие внутриклеточные процессы. Самоорганизация – появление упорядоченности (цикличности во времени, периодичности в пространстве) и образование стабильных структур в неравновесных средах, обменивающихся с окружением потоками вещества, энергии и энтропии. Примерами самоорганизации могут служить периодические химические реакции, открытые Б.П. Белоусовым. Световой год – расстояние, проходимое светом за один календарный год, принимается часто в качестве единицы межзвездных и межгалактических расстояний; величина этого пути примерно равна 10 триллионов километров. Симбиоз (от греч. symbiosis – совместная жизнь, сожительство) – тесное совместное существование разных видов. В это понятие включают и паразитизм, когда один из организмов живет за счет другого. В более узком смысле под симбиозом понимают лишь случаи взаимно выгодного сожительства особей двух видов. В таких симбиотических отношениях могут быть растение с растением, растение с животным, животное с животным; растения и животные могут быть в симбиозе с микроорганизмами, а последние друг с другом. Сингулярность – область пространства с необычными, предельными свойствами по большинству физических параметров. Согласно модели «Большого взрыва» начало Вселенной произошло из сингулярной области, сингулярности. Синергетика – наука о самоорганизации химических, физических, биологических и социальных систем. Синергетика описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей, она рассматривает окружающий мир как множество локализованных процессов различной сложности и ставит задачу отыскать единую (трансдисциплинарную) основу организации мира, как для простейших, так и для сложных его структур. Ключевые положения синергетики, сформулированные ее основателем немецким физиком Г. Хакеном, таковы: 1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих, одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом; 2) эти системы являются нелинейными; 3) при рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия; 4) эти системы подвержены внешним и внутренним колебаниям; 5) системы могут стать нестабильными; 6) происходят качественные изменения; 7) в этих системах обнаруживаются эмерджентные (внезапно возникающие) новые качества; 8) возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры; 9) структуры могут быть упорядоченными или хаотическими; 10) во многих случаях возможна матема-тизация. Все рассматриваемые процессы в системах необратимы во времени. (цитируется по …). Система: 1) множество элементов, находящихся в соотношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность, единство; 2) совокупность какихлибо элементов, единиц, объединяемых по общему признаку; 3) совокупность тел (объектов), мысленно или реально выделенных из окружающего пространства (мира). Выделяют системы материальные (системы живой и неживой природы, задаваемые систематиками) и абстрактные (понятия, гипотезы, теории, научные знания о системах, формализованные, логические и пр.). Синтез белков – в клетке происходит в ее цитоплазме, где в растворе находятся аминокислоты. Их распознает соответствующая тРНК и доставляет к одной из рибосом. Из множества (более 20 типов) тРНК, с присоединенными к ним аминокислотами, в каждый данный момент с мРНк устанавливает связь только та, кодон которой соответствует антикодону мРНК. Поэтому цепь собираемого белка строго соответствует расположению кодонов в ДНК. Матричная мРНК собирается в процессе транскрипции, когда каждому кодону ДНК собирается его антипод – антикодон мРНК. В общем процессе информация проходит по этапам: кодон ДНК – антикодон мРНК – кодон тРНК. Состояние (природных объектов и систем) – качественная и количественная характеристика множества их функциональных и интегративных реальных и потенциальных возможностей, множества их признаков, параметров в пространстве и времени. Спектр – совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующих систему или процесс. Это может быть, например, спектр энергий системы, тогда он нумеруется по их возрастанию, а каждая из энергий спектра называется уровнем энергии. Различают дискретный и непрерывный спектры, характеризуемые вспомогательными величинами. Статистические законы – законы средних величин, действующие в области массовых явлений, например, в микромире действуют статистические, а не каузальные (т. е. причинно обусловленные) законы. Структура – взаиморасположение и связь составных частей чего-либо; совокупность устойчивых связей объекта (с другими объектами), обеспечивающая его целостность. В физике и химии различают структуры атомов, молекул, жидкостей, твердых тел. Субстанция (от лат. substantia – сущность; то, что лежит в основе) – в обычном понимании синоним материи, вещества; в философском смысле – нечто неизменное, то, что существует благодаря себе и в самом себе; в естественнонаучном современном смысле – только формальное понятие, имеющее смысл носителя явления. Тезаурус (от греч. thesaurus – запас): 1) словарь, в котором наиболее полно представлены все слова языка с исчерпывающим перечнем примеров их употребления в текстах; 2) систематизированный набор данных о какой-либо области знания. Тектоника (от греч. tektonike – строительное искусство) – раздел геологии, изучающий структуру, динамику, деформации какого-либо участка земной коры и верхней мантии Земли. Теория – система основных идей той или иной отрасли знания. Форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях действительности. Критерий истинности и основа развития теории – практика. Термодинамика – наука о физических свойствах объектов, которые состоят из очень большого числа беспорядочно движущихся частиц, об их различных состояниях и о процессах, в которых они участвуют. Термодинамическая система – физический объект из очень большого числа частиц (атомов, молекул), которые совершают хаотические тепловые движения, вследствие чего главной характеристикой ее состояния является температура. Простейшей термодинамической системой является идеальный газ, между частицами которого нет сил взаимодействий. Важнейшим свойством рассматриваемых систем является самопроизвольный переход из различных неравновесных состояний в определенное равновесное состояние. Термоядерная реакция – реакция слияния (синтеза) легких ядер в более тяжелые, происходящие при температурах выше 10 млн градусов. Играют исключительно высокую роль в звездах, как источник энергии. Толерантность: 1) терпимость к иного рода взглядам, нравам, привычкам; 2) способность организма переносить неблагоприятное влияние некоторых экологических факторов; 3) полное или частичное отсутствие иммунологической реакции – потеря организмом способности вырабатывать антитела. Универсум (от лат. universum, summa rerum) – единая Вселенная; «мир как целое» или «все сущее». Фаза (от греч. phasis – появление): 1) ступень пазвития и изменения чего-либо, этап непрерывного процесса развития; 2) в биологии – одно из качественно различных состояний развивающейся природной системы, например, для насекомого череда превращений: яйцо, личинка, куколка, взрослое насекомое (имаго); 3) в физике – это состояние вещества, колебаний, сплава, электрического тока и т. д. Фазовое пространство – пространство (по существу математическое) всех координат и импульсов некоторой физической системы, такое, что определенное состояние этой системы в какой-то момент времени изображается в этом пространстве точкой, а последовательность меняющихся состояний – фазовой траекторией. Представления о фазовых пространствах служат хорошей основой для построения теорий систем многих частиц, будь то классических или квантовых. Фактор (от лат. factor – делающий, производящий) – причина, движущая сила какоголибо явления, процесса, определяющая его характер или его отдельные черты; момент, существенное обстоятельство в каком-либо процессе, явлении. Фальсификации принцип – критерий распознаваемости научной истины, предположенный английским философом Карлом Поппером. Критерием научности теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Если какое-либо учение построено так, что в состоянии истолковывать любые факты (астрология, теология и т. д.), т. е. учение неопровержимо в принципе, то оно не может претендовать на статус научного. Фенотип (от греч. phainon – являющийся + typos – отпечаток) – совокупность всех свойств и признаков организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития (онтогенеза), в отличие от его наследственных свойств, его генотипа. Физическая картина мира – представление об универсуме, о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического и теоретического познания. В физической картине мира отражается господствующая на тот или иной исторический момент физическая парадигма. Ферменты (другое название Энзимы) – белковые соединения, играющие роль катализаторов многих биохимических процессов в живых организмах или в искусственных средах (например в виноделии). Обладают очень высокой избирательностью к расщепляемым соединениям, механизм «узнавания» соединений на молекулярном уровне пока не известен. Филогенез – процесс исторического развития организмов, их видов, родов, семейств, отрядов, классов, типов. Филогенез следует рассматривать в единстве и взаимообусловленности с индивидуальным развитием организмов (онтогенезом). Флуктуации – случайные малые отклонения от равновесных значений параметров отдельных частиц в многочастичной системе, как правило, обусловлены хаотическим тепловым движением частиц. Фотон – квант электромагнитной энергии светового диапазона частот (по предложению Эйнштейна), в настоящее время так называют элементарные частицы с нулевой массой покоя, переносящие электромагнитные взаимодействия (силы) между заряженными частицами вещества. Фотосинтез – превращение зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами неорганических веществ и углекислого газа атмосферы в органические соединения за счет световой энергии Солнца. Включает большое число этапов преобразования химических связей. Фрактальная геометрия – геометрия объектов дробной (фрактальной) размерности (например, коры дерева, облака, береговой линии залива и пр.), предложенная и развитая бельгийским математиком Б. Мандельбротом в 1977 году. Хаос – в бытовом значении: полный беспорядок, неразбериха. В греческой мифологии – первоосновная неоформленная масса, из которой затем возникает все существующее в мире. С научной точки зрения – особое состояние многочастичной системы, удаленной от точек равновесия, при котором реализуется максимально высокие значения энтропии системы и разрушены все потенциально возможные связи и формы объединения отдельных частей. При «сбросе» части энтропии в окружающую среду, возможно возникновение упорядоченных связей и структур. Хиральность молекулярная – диссимметрия, отсутствие конгруэнтной симметрии (совпадения при наложении) у молекул живой материи, приводящее к отклонению (повороту, вращению) ими поляризованного луча света. Хищник – жертва (система) – взаимосвязь между жищником и жертовой, в результате которой эволюционно выигрывают оба; математическая модель их взаимоотношений была предложена А. Лотка и Ф. Вольтеррой в 1925-26 годах. Хозяин – паразит (система) – взаимосвязанная совокупность (иногда многовидовая) организмов, в которых или на которых паразит проходит свой цикл развития. Паразитическая ветвь развития всегда тупиковая, но формы приспособлений паразитов неисчерпаемы. Холизм (от греч. pholos – целое) – философское течение, которое рассматривает природу как иерархию «целостностей». Холизм Дж. Холдейна исходит из целостности мира как высшей и всерхватывающей целостности – и в качественном, и в организационном отношениях, в целостности, обнимающей собой области психологической, биологической, в том числе самой рациональной – физической реальности; все эти области представляют собой упрощение и обособление этой их охватывающей целостности. Хромосомы – специфические структуры в составе ядер клеток, в состав которых в линейной последовательности входят гены. Как правило, содержат две неравные по длине части. Хорошо различимы при начале деления клеток, когда они удваиваются, и начинают напоминать букву Х. У человека 22 хромосомы парные и одна – непарная, называемая Х и У–хромосомы. Наличие У–хромосомы определяет мужской пол организма человека. Царства природы – высшая, эволюционно обоснованная таксономическая категория: царства прокариот, грибов, растений и животных; царства грибов, растений и животных объединяют в надцарство эукариот; царство прокариот рассматривают и как надцарство, делимое на царства архй и бактерий. Целостность – завершенность, общее единство и взаимосогласованность элементов системы. Цитоплазма – вязкая жидкая среда (цитозоль) внутри клетки, окружающая ядро клетки и сама окруженная мембраной клетки. В ней расположены митохондрии, лизосомы, пластиды и другие органоиды. В цитозоли растворены аминокислоты, неорганические соли, ионы кальция, магния, натрия, глюкоза и другие органические соединения. В цитоплазме осуществляется синтез белков. Цепь пищевая (она же цепь питания или трофическая цепь) –последовательность групп организмов, каждая из которых (пищевое звено) служит пищей для последующей. Цикл(ы), цикличность (от греч. kyklos – круг): 1) совокупность взаимосвязанных явлений, процессов, образующих законченный круг развития в течение какого-то промежутка времени (например, в биологии циклы жизненные, развития у организмов, половой и др.); 2) определенная группа наук, дисциплин. Черная дыра – космические объекты, образующиеся при сжатии систем, масса которых превышает величину 2,5 масс Солнца. В таком случае нет сил, которые могли бы удержать вещество от гравитационного коллапса – неограниченного сжатия в бесконечно малый объем. Черные дыры могут быть образованы при взрывах сверхновых звезд или на начальной стадии эволюции вселенной. В центрах многих галактик предполагается наличие черных дыр с массами в миллионы масс Солнца. Гравитационное поле Черных дыр удерживает, как в ловушке, все излучения, однако можно обнаружить из по излучению газа и пыли, формирующих вокруг таких объектов вращающуюся воронку или диск падения вещества в бездонный колодец. Экосистема – целостный природный комплекс, образованный живыми организмами и средами их обитания, в котором живое и косное вещество обмениваются энергией и веществом Эксперимент – целенаправленное, планируемое и контролируемое воздействие на объект изучения с целью проверки гипотез или альтернативных точек зрения. Эволюция (от лат. evolution – развертывание, развитие): 1) непрерывное, постепенное количественное изменение, развитие, в отличие от революции как коренного, качественного изменения; 2) различного рода движения, связанные с перемещением, перестроением определенных элементов, единиц структуры, системы; 3) в биологии – основные характерные черты эволюции: во-первых, преемственность, во-вторых, возникновение в эволюционном процессе целесообразности (одно из наиболее уязвимых мест в теории эволюции), в-третьих, усложнение и совершенствование структур организмов от одной геологической эпохи к другой. Энтропия – многоаспектное понятие: однозначная термодинамическая функция состояния системы многих частиц, мера вероятности пребывания системы в данном состоянии, мера теплообмена при фазовых переходах в системе. В целом служит критерием направленности самопроизвольных процессов в природе – от состояния с малым значением энтропии к состояниям с большим ее значением. Эмерджентность (от англ. emergence – возникновение, появление нового) – появление нового свойства, качества в системе, которго не было у разделенных элементов системы; одно из ключевых положений синергетики. Ядро атома – центральная, положительно заряженная область атома малых размеров (примерно десять в минус пятнадцатой степени метра), состоящая из протонов и нейтронов. Ядро атома водорода содержит всего один протон. Масса ядра примерно в две тысячи раз превосходит массу электронной оболочки атома. Ядро клетки – ее важная часть, размерами от 3 до 10 микрометров. Окружена мембранной оболочкой с порами, через которые происходит обмен веществами с цитоплазмой: из ядра в нее поступают субчастицы рибосом и цепи матричной РНК, в обратном направлении поступают белки и ферменты. В объеме ядра располагаются нити хромосом, которые перед актом деления клетки скручиваются в плотную спираль, при этом укорачиваясь и утолщаясь. Возврат из справки Home Панель управления – содержит перечень разделов, а также кнопки навигации, управления программой просмотра и вызова функции поиска по тексту. Нажатие клавиши «Home» на клавиатуре вызывает переход к титульной странице документа. С титульной страницы можно осуществить переход к оглавлению (в локальной версии курса). PgUp Нажатие клавиши «PgUp» («PageUp») или показанных клавиш со стрелками на клавиатуре вызывает переход к просмотру предыдущей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. PgDn Нажатие клавиши «PgDn» («PageDown») или показанных клавиш со стрелками на клавиатуре вызывает переход к просмотру следующей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Просматриваемый в данный момент раздел. Доступные разделы. Alt + F4 В зависимости от текущего активного раздела в перечне могут присутствовать подразделы этого раздела. Нажатие комбинации клавиш «Alt»+«F4» на клавиатуре вызывает завершение работы программы просмотра документа (в локальной версии курса). Кнопка переключения между полноэкранным и оконным режимом просмотра. Нажатие левой клавиши «мыши» или вращение колёсика в направлении «от себя» вызывает переход к просмотру следую щей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Кнопки последовательного перехода к предыдущей и следующей страницам. Кнопка возврата к предыдущему виду. Используйте её для обратного перехода из глоссария. Кнопка вызова функции поиска по тексту. Нажатие правой клавиши «мыши» или вращение колёсика в направлении «к себе» вызывает переход к просмотру предыдущей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Кнопка перехода к справочной (этой) странице. Кнопка завершения работы.
