Учебник по Концепциям современного естествознания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное
образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
им. проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»
М.Р. Зобова
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебное пособие
СПб ГУТ )))
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
3
УДК 537.8
ББК В33
А 65
Рецензент
кандидат философских наук, доцент НИУ ИТМО
С.В.Бусов
Рекомендовано к печати
редакционно-издательским советом СПбГУТ
Зобова, М.Р.
А65 Концепции современного естествознания. Учебное
пособие. – СПб. : Издательство СПбГУТ, 2012. – с.
Содержит
основной
материал
по
курсу
«Концепции
современного естествознания». Предназначается для студентов
гуманитарных
специальностей
всех
форм
обучения.
Рекомендуется при подготовке к тестированию, семинарским
занятиям и экзаменам.
УДК 537.8
ББК В33
 Зобова М.Р., 2012
 Федеральное государственное образовательное
бюджетное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«СанктПетербургский
университет
телекоммуникаций
им.проф. М.А.Бонч-Бруевича», 2012
4
Мария Романовна Зобова
Концепции современного естествознания
Учебное пособие
Ответственный редактор С.А.Чернов
Редактор Л.А. Медведева
Верстка М.Ю. Кусовой
План 2012 г., п. 160
Подписано к печати 22.02.2012
Объем 2,0 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Заказ 151
Издательство СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61
Отпечатано в СПбГУТ
М.Р.Зобова
5
Концепции современного естествознания
Учебное пособие
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
6
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I часть
Научная картина мира, ее возникновение и развитие . . . . .
Геоцентрическая картина мира Аристотеля-Птолемея . . . .
Гелиоцентрическая система Н.Коперника и ее дальнейшее
развитие в трудах Дж.Бруно, Г.Галилея и И.Кеплера . . . . .
Механистическая картина мира, динамизм И.Ньютона как
завершающий этап коперниканской революции . . . . . . . . . .
Электромагнитная картина мира . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип относительности. Теория относительности
А.Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Современные представления о Вселенной . . . . . . . . . . . . .
Представление об элементарных частицах и их свойствах . . . . .
Основные принципы квантовой механики . . . . . . . . . . . . .
Ядерные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
Понятие системы. Системный подход и его виды . . . . . . . . .
Основные положения термодинамики. Возникновение
синергетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
Основные понятия синергетики. Возможность управления
синергетическими системами . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Симметрия законов природы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Химические концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Геологические концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II часть
Биологические концепции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Становление и развитие генетики . . . . . . . . . . . . . . .
История эволюционного учения . . . . . . . . . . . . . . . . .
Синтетическая теория эволюции . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Антропология. Возникновение человека . . . . . . . . . . . . .
Экология (часть 1) . . . . . . . . . . . . . .
Экология (часть 2). . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
.
. . . . . . . .
В.И.Вернадский о биосфере и ноосфере . . . . . . . . . . . . .
Наука, ее структура, происхождение и роль в обществе . . . . .
Понятие естественнонаучной и гуманитарной культуры.
Вненаучные формы познания . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
Список терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
Предисловие
Предлагаемое учебное пособие вобрало в себя многолетний опыт
преподавания дисциплины «Концепции современного естествознания» для
студентов гуманитарного профиля – экономистов, регионоведов,
специалистов по связям с общественностью. Цель изучения дисциплины –
содействовать единству гуманитарной и естественнонаучной культур,
формированию у студентов научного способа мышления, целостного
научного мировоззрения, что необходимо и для овладения избранной
профессией.
Необходимость изучения дисциплины обусловлена рядом негативных
тенденций в современном обществе, особенно в России, связанных с
падением престижа науки, снижением образовательного уровня населения
и агрессивным распространением псевдонаучных «теорий» («эзотерики»,
астрологии, хиромантии, магии, астрологии, оккультизма и т.п.), которые
нередко
являются
следствием
простой
естественнонаучной
безграмотности.
Научное
мировоззрение
может
и
должно
противодействовать и наивному догматизму, и интеллектуальному хаосу, и
разного рода лжеучениям, которые нередко используются для
манипулирования общественным сознанием в политических целях или
прямого обмана легковерных людей с целью наживы.
Предлагаемое пособие ставит своей главной целью формирование у
читателей научного мировоззрения, соответствующего современному
уровню развития фундаментальных концепций естествознания. Оно
учитывает историю развития естествознания, в том числе взгляды таких
классиков мировой науки, как Аристотель, Коперник, Кеплер, Галилей,
Ньютон, Дарвин, Лобачевский, Эйнштейн, Фридман, Бор, Гейзенберг,
Гамов, Вернадский, Пригожин, Хокинг и многих других.
8
Автор выражает надежду на то, что его работа будет полезна
студентам, преподавателям высшей школы и всем, интересующимся
проблемами современного естествознания.
Лекция 1. Научная картина мира, ее возникновение и развитие
Научная картина мира, как и любой познавательный образ, упрощает и
схематизирует действительность. Но, вместе с тем, за счет упрощений и
схематизаций она выделяет из бесконечного многообразия реального мира
именно те его существенные связи, познание которых и составляет
основную цель науки на том или ином этапе ее исторического развития.
Часто понятие научной картины мира используется как синоним
научного мировоззрения. Однако, с точки зрения большинства
исследователей науки, научная картина мира не является аналогом
научного мировоззрения. Она является его компонентом, который
фиксирует в мировоззрении лишь знания об устройстве мира,
полученные на том или ином этапе исторического развития науки.
Итак, что же такое научная картина мира? Существует множество
определений научной картины мира. Приведем некоторые наиболее
распространенные.
Научная картина мира – это целостное представление о мире на
данном этапе развития общества и научного знания. В ней синтезированы
знания конкретных наук и философские обобщения.
Научная картина мира – это специфическая форма систематизации
научного знания, задающая видение предметного мира.
Научная картина мира – это интегративная система представлений о
мире, которая вырабатывается в результате синтеза знаний, полученных в
разных областях научного исследования.
А.Эйнштейн полагал, что человек стремится создать в себе простую и
ясную общую картину мира, которая в известной мере заменяет ему
9
реальный мир созданной им картиной. Этим занимаются и художник, и
философ, и естествоиспытатель - каждый по-своему.1
Научная картина мира является промежуточным звеном между
философией и конкретными науками. Она строится как обобщение
основных понятий, принципов, гипотез отдельных наук при помощи
определенных философских положений и идей.
Научную картину мира следует относить к общенаучному знанию.
Отдельные науки играют здесь роль элементов содержания, а средством их
обобщения являются философские положения, выполняющие роль формы.
В структуре научной картины мира выделяют два главных
компонента:
- концептуально-понятийный
- чувственно-образный.
Концептуальный компонент представлен:
- философскими понятиями, такими, как материя, движение,
пространство, время и др.;
- философскими принципами – принципом всеобщей взаимосвязи и
взаимообусловленности явлений и процессов, принципом развития,
принципом единства мира и др.;
Концептуально-понятийный компонент представлен также:
- общенаучными понятиями, такими, как поле, вещество, энергия,
сила, вселенная и др.;
- общенаучными принципами - принципом детерминизма, принципом
верификации, принципом фальсификации, принципом соответствия и др.;
- общенаучными законами – законом сохранения и превращения
энергии, законом эволюционного развития и др.
Рассмотрим некоторые наиболее важные для научной картины мира
общенаучные принципы.
Принцип детерминизма.
Детерминизм (лат. determinare — определять, ограничивать) — это
учение, утверждающее, что все явления связаны причинной связью с более
ранними явлениями.
В науке принцип детерминизм означает, что:
1. Всё определено предшествующими событиями и определяет
последующие события.
2. Случайных, беспричинных вещей и явлений в мире не существует.
На принципе детерминизма построена вся классическая физика, за
исключением термодинамики и молекулярной физики (кинетической
теории газов), допускающих случайные события. Детерминизм
предполагает обратимость времени, то есть материальная частица придёт в
1
Эйнштейн А. Физика и реальность. - М., 1965. С.9.
10
исходное состояние, если обратить время. Каждая траектория движения
частицы единственным образом определяется начальными условиями.
Принцип верификации (verification – опытная проверяемость),
согласно которому любое высказывание должно поддаваться и
подвергаться проверке на истинность, чтобы быть принятым в качестве
научного. Проблемы с понятием верификации (истинность универсального
суждения типа «все лебеди белые» невозможно проверить на опыте,
поскольку всех лебедей (бывших, существующих и будущих) рассмотреть
невозможно) привели некоторых теоретиков (особенно К. Поппера) к
выводу о необходимости заменить его концепцией «фальсифицируемости»,
поскольку один противоречащий факт (существование черного лебедя)
достаточен, чтобы установить ложность универсального суждения.
Согласно принципу верификации, научной значимостью обладают
только те знания, содержание которых можно обосновать протокольными
предложениями (записями в протоколах наблюдений или экспериментов
ученого). Эти предложения, как «факты науки», согласно доктрине
неопозитивизма, обладают приматом перед всеми другими элементами
научного знания. Иными словами, неопозитивисты полагали, что в науке
существует чистый опыт, свободный от деформирующих влияний со
стороны познавательной деятельности субъекта, а также адекватный
чистому опыту язык. Предложения, выражаемые этим языком, прямо и
непосредственно фиксируют содержание опыта, и поэтому не зависят ни от
каких теорий.
Принцип фальсификации К.Поппера был следствием его убеждения,
что наука не дает истинного знания, поскольку научно-исследовательская
деятельность сводится к выдвижению гипотез, предположений и
догадок. Было бы несерьезно какие-то из этих представлений принимать за
«истинные», а от каких-то отказываться, потому что нет никакого
универсального метода отбора из этого многообразия истинных
высказываний. Мы можем лишь приближаться к истине, отбрасывая
ложные гипотезы. Принцип фальсификации утверждает, что научными
можно признать лишь те положения, которые могут быть опровергнуты
эмпирическими
данными.
Принципиальная
возможность
опровержения теории фактами является критерием научного характера
этой теории. Теория, способная объяснить любой факт, к науке не имеет
отношения.
Принцип соответствия требует, чтобы любая новая теория,
претендующая на более глубокое описание физической реальности и на
более широкую область применимости, чем старая теория, должна
включать последнюю как свой предельный случай. Так, релятивистская
механика Эйнштейна в случае малых скоростей переходит в классическую
механику Ньютона.
11
Чувственно-образный компонент в составе научной картины
мира - это совокупность наглядных представлений о мире или о его части.
Например, представление об атоме Томсона как о положительно
заряженной сфере, куда отрицательно заряженные электроны «натыканы»,
как изюм в булку, или «планетарная» модель атома Резерфорда, или образ
вселенной как огромных механических «часов», созданных и заведенных
Творцом, или образ Метагалактики как «раздувающейся» сферы, или
представление о спине электрона как о «вращающемся волчке» и др.
Поскольку существуют различные уровни систематизации научного
знания, постольку можно выделить три основных значения, в которых
применяется понятие «научная картина мира».
1. Общая научная картина мира, которая выступает как целостный
образ мира, включающий представления и о природе, и об обществе.
2. Научная картина мира как система представлений о природе,
складывающихся в результате синтеза достижений естественнонаучных
дисциплин.
3. Научная картина мира как систематизация знаний в отдельной
науке, фиксирующая целостное видение предмета данной науки,
складывающееся на определенном этапе ее истории и меняющееся при
переходе от одного этапа развития науки к другому. В этом значении
можно выделить следующие научные картины мира:
- физическую картину мира,
- биологическую картину мира,
- астрономическую картину мира,
- химическую картину мира и др.
М.Планк считал, что идеалом естествознания является построение
объективной картины мира. Он поставил вопрос: чем является то, что мы
называем «физической картиной мира»? Является ли эта картина более или
менее произвольным созданием нашего ума или же, наоборот, мы
вынуждены признать, что она отражает реальные, совершенно не
зависящие от нас, явления природы?
А.Эйнштейн провел анализ понятия «физическая реальность» и
выделил два возможных понимания:
1. Это сам объективный мир, существующий независимо от
человеческого сознания.
2. Это то, как мы представляем себе этот мир.
Представление о природе в физике со временем изменялось, поэтому
можно говорить о различных картинах физического мира, которые лежали
в основе научной картины мира. Можно выделить следующие картины
мира в истории физики:
- механистическая,
- электромагнитная,
- релятивистская,
12
- квантово-полевая,
- современная (основанная на понятии физического вакуума).
М.Борн считал, что каждая физическая картина мира имеет свои
границы, которые обнаруживаются самим развитием физики, открытием
новых фактов, выявлением действия новых законов природы.
Ученые показали, что для создания новой картины мира требуется
разработка определенного категориального (понятийного) аппарата. Он
выступает базой для создания новой научной картины мира. Так,
механистическая картина мира базировалась на таких понятиях, как:
неделимая частица или корпускула, абсолютное пространство и время,
лапласовская причинность (детерминизм), дальнодействие и др.
Электромагнитная картина мира базировалась на понятиях: поле,
электромагнитная волна, непрерывное взаимодействие, близкодействие и
др.
Все великие революции в науке всегда были связаны с перестройкой
научной картины мира. Считается, что создание классической механики
явилось первой научной революцией.
Свою гипотезу развития науки как смены научных парадигм (что
близко по смыслу сменам картин мира) предложил в 50-х годах ХХ
столетия американский ученый Томас Кун в своей работе «Структура
научных революций».
Научная картина мира – образование не застывшее, а постоянно
изменяющееся. В процессе развития научных и технических знаний в ней
происходят качественные преобразования, которые приводят к замене
старой картины мира на новую. Смена картин мира зависит от изменения
научной парадигмы. Научная парадигма – это совокупность методов,
способов, принципов научного познания, а также теорий и гипотез,
принятых научным сообществом в определенный исторический период
времени. Научная парадигма – это и образец, эталон, шаблон,
применяемый для решения стоящих научных проблем и задач. Со
временем этот эталон начинает давать сбои, не срабатывает, появляется все
больше фактов ему не подвластных, которые получают название
аномалии. Этих аномалий становится все больше и больше, и тогда
возникает необходимость в замене старой парадигмы на новую. С
появлением новой научной парадигмы изменяется и картина мира,
происходит научная революция.
В развитии науки Кун выделяет два периода:
- период нормального развития, когда всех устраивает существующая
научная парадигма, которая успешно решает поставленные перед ней
задачи,
- революционный период, когда перед научным сообществом встает
задача перехода к новой научной парадигме.
Возникновение картины мира.
13
Первые дошедшие до нас естественнонаучные представления об
окружающем мире были, сформулированы древнегреческими философами
и учеными в 6-5 вв. до нашей эры. Их учения опирались на накопленные
ранее знания и религиозный опыт египтян, шумеров, вавилонян, сирийцев,
но отличались от последних стремлением проникнуть в суть, в скрытый
механизм явлений мира. Основополагающие положения этих учений могут
быть сформулированы как основные принципы античной картины мира.
Основные принципы античной картины мира.
1. Принцип круговых форм, движений и цикличности. Наблюдение
круглых дисков Солнца и Луны, закругленной линии горизонта на море,
восходы и заходы светил, смена времен года, отдыха и труда и т. д.
наводили греков на мысль о круговых формах, движениях, циклах
развития.
2. Принцип существования начала, лежащего в основе многообразия
явлений мира. Первые представления о таком начале сводились к
первичным стихиям, таким, как вода, воздух, земля и огонь. В дальнейшем
появляются абстрактные представления, не сводимые к чувственному
восприятию, такие, как атом Демокрита или материя Платона и
Аристотеля.
3. Представление о небесном своде. Предполагалось, что Земля
находится в центре мира, а твердый небесный свод служит опорой для
звезд и отделяет небо от Земли. Звезды неподвижно прикреплены к
небесному своду, а планеты (к которым относили Солнце и Луну)
перемещаются относительно фона неподвижных звезд. Слово «планета»
произошло от древнегреческого слова «блуждающий». Двигаясь вокруг
Земли, планеты совершали сложные, петлеобразные движения. Причина в
том, что каждая планета, как считалось, прикреплена к прозрачной твердой
сфере. Сфера обращалась равномерно вокруг Земли по правильной
круговой орбите, а сама планета перемещалась еще и по сфере.
Представление о небесном своде (сфере неподвижных звезд) сохранялось
даже в системе Н.Коперника, хотя он и перенес центр мира с Земли на
Солнце.
4. Принцип одухотворенности небесных тел. Платон считал, что
планеты, как и другие движущиеся без видимых причин тела, обладают
душой. Ученик Платона Аристотель первопричиной движения тел считал
перводвигатель, являющийся нематериальным, неподвижным, вечным,
совершенным.
5. Принцип небесного совершенства. Платон, Аристотель и другие
философы верили, что небеса идеальны во всех отношениях. Исходя из
этого они считали, что небесные тела, их сферы и орбиты, по которым они
движутся, должны состоять из нерушимой вечной субстанции – эфира.
Форма небесных тел должна быть сферической, поскольку сфера – это
единственное геометрическое тело, все точки поверхности которого
14
равноудалены от центра. Сфера (круг) считалась у греков идеальной,
совершенной фигурой.
6. Принцип музыки небесных сфер. Для пифагорейцев музыкальная
гармония и движение планет были обусловлены одними и теми же
математическими законами. Пифагор открыл замечательную связь между
числами и законами музыкальной гармонии. Он обнаружил, что высота
тона колеблющейся струны, концы которой закреплены, прямым образом
зависит от ее длины. Уменьшение длины колеблющейся части скрипичной
струны вдвое приводит к повышению тона рождаемого ей звука на октаву.
Уменьшение длины струны на одну треть повышает тон звука на квинту,
на одну четверть – на кварту, на одну пятую – на терцию. Пифагорейцы
также обнаружили закономерность изменения высоты звука от величины
вращающегося объекта и от расстояния от объекта до наблюдателя. Так,
камень, привязанный к веревке и вращаемый над головой, будет издавать
звук определенной высоты. Если изменять величину камня и длину
веревки, то и высота издаваемого камнем звука будет меняться. Следуя
этой логике рассуждений, Пифагор предполагал музыкально-числовую
структуру космоса и музыку небесных сфер.
7. Принцип пустоты или заполненности космоса. По этому вопросу
древнегреческие философы разделились на две противоборствующие
школы. Глава одной из них – Демокрит - считал, что вещество космоса
состоит из крошечных, невидимых, неделимых частиц – атомов,
движущихся в окружающем пустом пространстве. По мнению же их
противников (например, Парменида) мир заполнен одной или несколькими
субстанциями, образующими сплошную среду.
8. Принцип центризма или однородности. Находимся ли мы в центре
Вселенной или у Вселенной центра в принципе не существует, и
существовать не может? Мир Платона и Аристотеля напоминал луковицу,
в середине которой находилась Земля, тогда как сфера неподвижных звезд
составляла ее внешнюю оболочку. Атомисты считали по-другому. В
частности Лукреций Кар писал, что Вселенная не имеет центра и содержит
бесконечное множество обитаемых миров.
Несмотря на разнообразие принципов и моделей Вселенной в
античном мире, сложившаяся к тому времени культурная атмосфера и
научная парадигма привели к установлению геоцентрической картины
мира, автором которой был древнегреческий ученый и философ
Аристотель.
Лекция 2. Геоцентрическая картина мира Аристотеля - Птолемея
Аристотель из Стагиры (384 – 322 гг. до н.э.) известен как
разносторонний ученый, обладавший энциклопедическими знаниями. В
трактате «О небе» он описывает свою физико-космологическую картину
15
мира. Здесь мы видим, как астрономические взгляды на Вселенную тесно
переплетаются с физическими и философскими взглядами.
Под Вселенной Аристотель понимал всю существующую материю,
состоящую из 4-х обычных элементов: земли, воды, воздуха и огня, а
также 5-го элемента – эфира, в отличие от других не имеющего ни
легкости, ни тяжести.
Все телам присуще движение. Движение есть переход возможного в
действительное (потенциального в актуальное). Но не всякая возможность
переходит в действительность, а только такая возможность, которая
соответствует конечной цели данной вещи (энтелехии). У каждой вещи,
согласно Аристотелю, есть конечная, высшая цель, являющаяся законом
для данной вещи. Мы можем не знать всех целей, но они обязательно есть.
Аристотель – основоположник концепции о всеобщей целесообразности –
телеологии. Движение вообще определяется через его дюнамис, энергию и
энтелехию. Аристотель подчеркивал, что знание движения – ключ к
познанию природы, ведь природа есть начало движения и изменения.
Движение вечно, потому, что вечно время.
Вселенная – это конечная ограниченная сфера, за границами которой
нет ничего материального.
Там нет и пространства, которое мыслится как место; это означает,
что пространства без тел не бывает, следовательно, в природе нет пустоты.
Аристотель отрицает пустоту на том основании, что ее признание влечет за
собой массу трудностей для понимания Космоса. Многие философы
считали необходимым допустить существование пустоты, раз есть
движение (атомисты), с другой стороны, отрицание пустоты приводит к
отрицанию движения (элеаты). Те и другие неправы: движение есть, но
пустоты нет.
Согласно Аристотелю, пространство состоит из мест, занимаемых
телами. Но что такое место? Бесконечное существует, потому что всякая
граница предполагает выход за ее пределы и т.д. до бесконечности. В
понятии границы тела он различает границу самого тела и границу
объемлющего тела. Последняя и будет «местом». Поэтому место
связано с движущимся телом, но оно с ним не перемещается. Если
объемлющего тела нет, то вопрос о месте бессмыслен.
За пределами Вселенной не существует и времени. В каком смысле
существует время? Парадоксально взаимоотношение времени и движения.
Время не существует без движения, но оно не есть движение, потому
что время равномерно, движения же неравномерны. Поэтому время –
мера движения. Но парадокс в том, что само время измеряется движением,
которое есть мера времени. Итак, время – мера движения, а движение –
мера времени. Выход из этого парадокса в том, что мерой времени является
не всякое движение, а движение небесной сферы. Это равномерное
круговое движение есть «круг времени».
16
За пределами Вселенной помещался нематериальный, вечный,
неподвижный, совершенный перводвигатель (божество), который сообщал
миру, в частности и космическим телам, совершенное равномерное
круговое движение.
Так как шарообразность Вселенной была видна невооруженным
глазом в форме небосвода, в круговом суточном движении небесных
светил (Солнца, Луны и др.), в наблюдении лунных затмений, когда
круглая тень Земли наползала на диск Луны (что подтверждало и
шарообразность нашей Земли), то в такой ограниченной Вселенной должен
был существовать центр, как особая точка, равноудаленная от периферии.
Таким образом, центральное положение Земли следовало из общих свойств
Вселенной: самый тяжелый элемент – земля, составляющий в основном
земной шар, не мог не быть всегда в центре мира. Менее тяжелым
элементом, тяготеющим к земле, была вода, а легкими - огонь и воздух. В
надлунном мире единственный элемент – эфир - находился в вечном
круговом движении в мировом пространстве. Из эфира, согласно
Аристотелю, состояли все небесные тела, идеальной сферической формы,
скрепленные каждое со свое сферой, твердой и кристально-прозрачной, с
которой они вместе двигались по небу. Точнее говоря, двигались сферы, а с
ними и планеты. Движение небесных тел с востока на запад Аристотель
считал естественным и наилучшим (природа всегда осуществляет
наилучшую из возможностей). Аристотель выделял 8 сфер во Вселенной.
Он считал, что для небесных тел естественным, совершенным, является
именно круговое, вечное, равномерное движение, которое постулировалось
как признак совершенства небесных тел. Все это соответствует концепции
Аристотеля о том, что все тела стремятся к своему «естественному
месту».
Неподвижность Земли в центре мира Аристотель просто
постулировал, чтобы обосновать суточное вращение всего небосвода.
Согласно ученому, Вселенная не возникла и принципиально
неуничтожима, она вечна, поскольку единственна и объемлет всю
возможную материю, ей не из чего возникнуть и не во что превратиться.
Возникает и уничтожается не Космос, а его состояния.
Космическая система Аристотеля была теорией, опиравшейся на опыт,
как его тогда понимали, то есть на полное доверие повседневным
наблюдениям (видимые круговые движения планет, Солнца, Луны,
закругленная линия горизонта на море и т. п.). Аристотель считал, что
Земля свободно парит в пространстве, а не уходит корнями в
бесконечность (Ксенофан), и не плавает на воде (Фалес). Но вместе с
ошибочными представлениями своих предшественников Аристотель
отбросил и правильные догадки пифагорейцев о вращении Земли вокруг
свое воображаемой геометрической оси, так как это вращение не
ощущалось в повседневном опыте.
17
Аристотель стремился очистить картину мира от донаучного
мифологического элемента. Он резко критиковал древние учения, согласно
которым небо и небесные тела, чтобы не упасть на Землю, должны
опираться на плечи могучих героев – Атлантов.
Модель Вселенной Аристотеля можно назвать телеологической,
опирающейся на высшие конечные цели и причины (перводвигатель,
идеальные божественные круговые формы, наилучшая возможность и т.п.).
Тем не менее, эта модель стала первым организующим фактором на пути
дальнейшего развития науки. В ее рамках на протяжении 1,5 тыс. лет
формировались
конкретные
научные
представления.
Будучи
догматизированной в средневековой Европе и на арабском Востоке,
картина мира Аристотеля дожила до 16 века.
Она была математически разработана несколько веков спустя
александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (87 – 165 гг. н. э.)
Созданию первой математической теории видимого движения планет,
«Математической системы», было посвящено 5 из 13 книг Птолемея под
общим названием «Альмагест» (в переводе с арабского – «величайшее»).
Труд Птолемея стал известен под арабским названием потому, что
греческий оригинал был утрачен, и до нас дошел лишь арабский перевод.
В основу своей теории Птолемей положил несколько постулатов:
шарообразность Земли, ее неподвижность и центральное положение
во Вселенной, равномерное круговое движение небесных тел,
колоссальная удаленность Земли от сферы неподвижных звезд.
Птолемей считал, что чем быстрее планета движется, тем ближе к
Земле она расположена. Отсюда вытекало и расположение планет
относительно Земли: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и
Сатурн.
Птолемей не просто следовал утверждениям Аристотеля, но пытался
их обосновать, исходя из известных представлений и наблюдений. Так, он
считал, что с поверхности вращающейся Земли (если таковое имело бы
место) все свободно лежащие на ней тела должны были бы быть сорваны и
отброшены в мировое пространство в сторону, обратную направлению
вращения Земли (облака, птицы, люди, дома и т. д.). Отчасти Птолемей был
прав. Однако он не учел колоссальную массу Земли по сравнению со всеми
живыми и неживыми объектами на ее поверхности. Но никого даже
сегодня не удивляет тот факт, что на экваторе вес одних и тех же
предметов за счет центробежной силы меньше, чем на полюсе.
Теория Птолемея была грандиозным успехом человеческой мысли в
математическом анализе явлений природы. Так, запутанные видимые
движения планет были представлены как результат сложения простых
элементов – равномерных движений по окружности. В схеме Птолемея
движение каждой планеты описывалось следующим образом.
Предполагалось, что вокруг неподвижной Земли находится окружность,
18
центр которой помещен несколько в стороне от центра Земли (деферент).
По деференту движется центр меньшей окружности – эпицикла – с угловой
скоростью, которая постоянна по отношению не к собственному центру
деферента и не к самой Земле, а к точке, расположенной симметрично
центру деферента относительно Земли. Эту вспомогательную точку, из
которой движение планеты будет казаться равномерным (выровненным),
как и соответствующую ей окружность, Птолемей ввел для более точного
описания наблюдаемых неравномерностей в видимых движениях планет и
назвал эквантом (выравнивающим). Сама планета в системе Птолемея
равномерно двигалась по эпициклу. Для описания вновь открываемых
неравномерностей в движениях Луны или планет вводились новые
дополнительные эпициклы – вторые, третьи и т.д. Введением экванта
Птолемей нарушал принцип структуры и свойства Вселенной в физической
картине мира Аристотеля. Но это понял и на это обратил внимание лишь
спустя полторы тысячи лет Коперник.
Теория Птолемея произвела огромное впечатление не только на его
современников. Вплоть до 16 века его геоцентрическая система
безраздельно властвовала над умами людей. Однако сам Птолемей считал
свою теорию лишь способом описания явлений, не претендуя на то, что его
сложная конструкция выражала истинное существо вещей (строение
Вселенной). Лишь церковь и схоластическая наука средневековья
превратили геоцентрическую картину мира в истину в последней
инстанции, возвели ее в официальную доктрину, в ранг непререкаемой
религиозной догмы.
Справедливости ради следует отметить, что греческих мыслителей,
создававших модели движения небесных сфер, можно было разделить на
два соперничающих между собой лагеря. Они расходились во взглядах на
роль математики и математических моделей.
Представители первого лагеря, возглавляемого Аристотелем, считали
математику служанкой философии и здравого смысла. Они полагали, что
математика может быть полезной в описании явлений, но она не способна
отразить их глубину и сущность.
Представители другого лагеря, пифагорейцы, считали, что в основе
всех явлений лежат математические закономерности. Они полагали, что
законы математической гармонии – более подходящее руководство к
постижению небесных тайн, чем опыт и здравый смысл. Пифагорейцы
считали, что более естественным было бы предположить, что наблюдаемое
нами движение звезд есть следствие неощущаемого нами же движения
Земли по окружности, но в противоположном к движению звезд
направлении. В центре этой окружности находится «центральный огонь».
Также предполагалось, что Земля вращается вокруг оси, проходящей через
ее геометрический центр, подобно тому, как колесо повозки
поворачивается на своей оси.
19
Наивысшем достижением пифагорейцев стала гелиоцентрическая
модель мира, предложенная Аристархом Самосским (III в. до н. э.). Он
считал Солнце неподвижным, расположенным в центре мира, а Землю обращающейся вокруг Солнца и вокруг своей оси. Аристарх так же
предполагал, что вся орбита Земли по сравнению со сферой звезд
представляет собой не более чем точку.
Однако всем этим идеям суждено было оставаться в стороне от
основного русла развития представлений о мире. Возрождение
гелиоцентризма произошло лишь в 16 веке.
ЛЕКЦИЯ 3. Гелиоцентрическая система Н.Коперника и ее
дальнейшее развитие в трудах Дж. Бруно, Г.Галилея и И.Кеплера.
Основоположником гелиоцентризма по праву считается Николай
Коперник (1473 – 1543). Он сумел преодолеть преклонение перед
авторитетами и догмой, в которую превратился геоцентризм. Итогом его
длительных размышлений о порядке и красоте мироустройства стал
трактат «О вращениях небесных сфер», увидевший свет в 1543 году, в год
смерти самого ученого.
Революционная идея Коперника состояла в том, что в центре мира
находится Солнце, вокруг которого движутся планеты, - и среди них
Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от солнечной
системы находится сфера звезд. Земля, таким образом, была низведена до
ранга рядовой планеты, а видимые движения планет и звезд
объяснялись суточным и годичным обращением Земли вокруг Солнца.
Однако, как и у античных ученых, движения небесных тел оставались у
Коперникаравномерными и круговыми. Принять гелиоцентризм
Копернику помогло представление об относительном характере
движения, известное еще в античности.
В основе системы Коперника лежали два принципа:
- допущение подвижности Земли
- признание центрального положения Солнца в системе.
С помощью основных движений Земли – годичного и суточного впервые получила объяснение смена времен года и смена дня и ночи.
Преимущество теории Коперника по сравнению с теорией Птолемея
состояло в логической простоте, стройности и практической
применимости. Коперник считал, что «природа не терпит лишнего» и
стремится возможно меньшим числом причин обеспечить возможно
большее число следствий.
Для того, чтобы как-то смягчить впечатление от своего нововведения,
Коперник указывал на то, что размеры сферы звезд и удаленность ее от
солнечной системы столь колоссальны, что вся солнечная система, вместе с
20
подвижной теперь уже Землей, может практически рассматриваться как
центр Вселенной, как единая точка.
Благодаря системе Коперника движение стало рассматриваться
как естественное свойство небесных объектов, в том числе Земли.
Движение всей Вселенной подчинялось общим закономерностям,
единой механике.
Благодаря Копернику Земля более не противопоставлялась
«божественным» планетам и звездам и приобрела равный с ними
статус.
Дело, начатое Коперником, было продолжено монахом одного из
неаполитанских монастырей, итальянским ученым Джордано Бруно (1548 –
1600). На развитие его взглядов большое влияние оказала натурфилософия
Николая Кузанского, в которой отрицалась возможность для любого тела
быть центром Вселенной, поскольку Вселенная бесконечна, а
бесконечность центра не имеет. Объединив философско-космологические
взгляды Николая Кузанского и гелиоцентрические выводы Коперника,
Бруно
создает
собственную
естественно-философскую
картину
бесконечной Вселенной. Концепция Бруно изложена в его трудах «О
причине, начале и едином», «О бесконечности, вселенной и мирах» и др.
Вслед за Кузанцем Бруно отрицал существование какого бы то
ни было центра Вселенной. Он утверждал бесконечность Вселенной во
времени и пространстве. Бруно писал о колоссальных различиях
расстояний до разных звезд и сделал вывод, что соотношение их видимого
блеска может быть обманчивым. Ученый утверждал изменяемость
(эволюцию) небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен
между ними космическим веществом. Идею изменяемости он
распространял и на Землю, утверждая, что поверхность нашей Земли
изменяется за большие промежутки времени, в течение которых моря
превращаются в континенты, а континенты - в моря.
Интересным и перспективным было и утверждение ученого об
общности элементов, составляющих и Землю, и все другие небесные
тела. В основе всех вещей лежит единая, неизменная, первичная
материальная субстанция. Исходя из этого единства, Бруно
предположил, что в бесконечно развивающейся Вселенной должно
существовать и бесконечное число очагов разума, множество
обитаемых миров.
За высказанные еретические идеи, противоречащие церковным
догматам, Дж. Бруно был приговорен инквизицией к сожжению на костре,
что и было приведено в исполнение в Риме в 1600 году.
Коперниканская революция повлекла за собой и революцию в
механике, зачинателем которой был Галилео Галилей (1564 – 1642).
Механические процессы интересовали Галилея на протяжении всей
его жизни. Он первый построил экспериментально-математическую
21
науку о движении – динамику, законы которой вывел в результате
обобщения поставленных им научных опытов.
Галилей предложил новую идею – движение по инерции. Ранее
господствовало аристотелевское понимание движения, согласно
которому тело движется благодаря внешнему на него воздействию, а
когда последнее прекращается, тело останавливается. Галилей же
предложил принцип инерции, согласно которому если на тело не
производится внешнего воздействия, то оно либо находится в
состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости
своего движения сколь угодно долго.
Галилей открыл законы свободного падения тел: независимость
скорости такого падения от массы тела, определил, что путь, пройденный
падающим телом, пропорционален квадрату времени падения.
Галилей построил теорию равномерно-ускоренного движения, открыл
законы колебания маятника.
Он показал также, что траектория брошенного тела, движущегося под
воздействием начального толчка и силы тяготения, есть парабола.
Метод исследования Галилея носит название экспериментальнотеоретического. Суть его заключается в количественном анализе
наблюдаемых частных явлений и постепенном мысленном приближении
этих явлений к некоторым идеальным условиям, в которых законы,
управляющие этими явлениями, могли бы проявиться в чистом виде.
Кроме открытия законов движения Галилей сделал и ряд
астрономических открытий с помощью сконструированного им
телескопа (на основе изобретенной в Голландии подзорной трубы). С него
началась новая эра в наблюдательной астрономии. Он открыл
существование огромного количества новых звезд на Млечном пути,
установил, что звезды удалены от нас неизмеримо дальше планет, так как
планеты в телескоп увеличивались и имели вид кружков, в то время как
звезды при любом увеличении оставались точками; он увидел реальную
поверхность Луны, которая оказалась не гладкой идеальной сферой, но
была покрыта неровностями, горами, пропастями и обрывами (Галилей
даже оценил высоту лунной горы в 7 км); он обнаружил на диске Солнца
темные образования («пятна»), которые перемещались, что позволило
Галилею утверждать, что и Солнце вращается вокруг своей оси; он открыл
четыре спутника Юпитера, благодаря чему Земля перестала быть
единственной планетой, имеющий спутник.
Всеми
своими
открытиями
Галилей
доказывал
правоту
гелиоцентрической
системы
Коперника.
Симпатии
Галилея
гелиоцентризму нашли свое отражение в его работе «Диалог о двух
системах мира – Птолемеевой и Коперниковой», которая привлекла
внимание инквизиции. В 1633 году Галилей был вызван в Рим, где под
угрозой применения пыток 69-летнего ученого заставили отречься от
22
коперниканских «заблуждений». Лишь спустя 350 лет после смерти, в
октябре 1992 года он был реабилитирован католической церковью:
осуждение было признано ошибочным, а учение – правильным.
Поиски точных законов движения планет стали главным делом
жизни немецкого астронома Иоганна Кеплера (1571 – 1630). Его основные
труды были связаны с пифагорейской идеей мировой гармонии и с
поиском простых числовых отношений, ее выражающих. Природа создана
Богом в соответствии с математическими законами, и обязанность ученого
– понять их. Кеплер использовал античную теорию пяти правильных
многогранников, которые должны соотноситься с общей структурой
Вселенной. Если вокруг орбиты Земли описать додекаэдр, то сфера,
которая опишет его, будет сферой Марса; если далее вокруг сферы Марса
описать тетраэдр, то объемлющая его сфера будет сфера Юпитера; если
вокруг сферы Юпитера описать куб, то заключающая его сфера будет
сферой Сатурна;если в орбиту Земли вписать икосаэдр, то вписанная в него
сфера будет сферой Венеры; если, наконец, в сферу Венеры вписать
октаэдр, то в него будет вписана сфера Меркурия. Так можно объяснить и
причину числа планет.
Идея связи между планетами и многогранниками вскоре обнаружила
свою несостоятельность, но в ней была намечена программа будущих
исследований.
Ни Птолемей, ни Коперник, ни Тихо Браге не смогли объяснить
нерегулярности в движении Марса. Эту задачу решил Кеплер. Он пришел к
выводу, что теоретические расчеты движения планет совпадут с
наблюдениями, если предположить, что планеты движутся по
эллиптическим орбитам, с изменяющейся скоростью. Введя эллиптическую
гипотезу вместо многовековой догмы о круговом характере и единообразии
планетарных движений, Кеплер осуществил переворот внутри
коперниканской революции.
Поиски мировой гармонии привели Кеплера к открытию трёх законов
движения планет:
- каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого
находится Солнце (так рухнул принцип круговых движений);
- каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр
Солнца, причем линия, соединяющая Солнце с планетой, за равные
промежутки времени описывает равные площади (так рухнул принцип
равномерности небесных движений – чем дальше от Солнца, тем меньше
скорость движения планеты);
- квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как
кубы больших полуосей их орбит.
На основании этих законов Кеплер развил представление о механизме
действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной
среде от вращения магнитного поля Солнца и увлекающем окрестные тела.
23
Проблема устройства планетного мира благодаря Кеплеру перешла из
области мифологических и гипотетических построений в область научных
знаний и стала предметом точных наук. Небесная механика Кеплера
явилась следствием теории Коперника и в то же время она подготовила
почву для формирования механистической картины мира.
ЛЕКЦИЯ 4. Механистическая картина мира, динамизм
И.Ньютона как завершающий этап коперниканской революции
Исаак Ньютон, выдающийся английский физик (1643 – 1727), был
последователем механики Г.Галилея и усовершенствовал его метод. В
основе метода Ньютона лежало экспериментальное установление точных
количественных закономерностей и выведение из них общих законов
природы. Основным трудом И.Ньютона считаются “Математические
начала натуральной философии” (1687).
С именем Ньютона связано создание (независимо от Лейбница),
дифференциального и интегрального исчислений. Но он все же наиболее
известен как создатель теории движения (классической динамики) на
основе идеи «инерции» Галилея. Ньютон сформулировал три основных
закона движения тел.
Первый закон Ньютона: Если бы на тело не действовало никаких сил
вообще или действие сил было бы скомпенсировано, то после того, как телу бы
сообщили начальную скорость, оно продолжало бы двигаться в
соответствующем направлении равномерно, прямолинейно и сколь угодно
долго. Ньютон вкладывал в этот закон, следующий смысл: всякое тело
удерживает, сохраняет свое состояние (движения или покоя), пока оно не
вынуждается внешней силой изменить его. Тело косно, инертно и
сопротивляется любому воздействию извне.
Второй закон Ньютона: Ускорение a, сообщаемое телу массой m,
прямо пропорционально приложенной силе F и обратно пропорциональна массе
m, то есть F = m a. В этом законе Ньютон говорит о пропорциональности силы
и изменении количества движения (импульса), то есть количество движения
(mv) пропорционально приложенной силе F.
Третий закон Ньютона: Каждое действие вызывает противодействие,
равное по величине и противоположное по направлению, иначе: взаимное
действие двух тел друг на друга равно по величине и противоположно по
направлению, то есть F = - F.
Вершиной научного творчества И.Ньютона все же стала теория
тяготения и провозглашение первого универсального закона природы – закона
всемирного тяготения. Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу,
трактовавшегося даже как проявление любви между ними, освободилась от
антропоморфности и мистицизма. В теории Ньютона тяготение стало
эмпирически обоснованным постулатом, утверждавшим, что сила тяготения
24
универсальна и проявляется между любыми материальными телами
независимо от их конкретных качеств и состава; она всегда прямо
пропорциональна массам тяготеющих тел и обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними.
Fт = G
Где Fт. – сила тяготения, G – гравитационная постоянная, равная
Ньютон
Это сила взаимногопритяжения двух тел, массой в
1 кг каждое на расстоянии 1 м.
Каждая частица во Вселенной притягивает все остальные частицы и
сама притягивается ими.
Из закона всемирного тяготения Ньютон математически вывел и
уточнил кеплеровы законы эллиптического движения планет; сделал вывод
о единстве законов движения всех космических тел.
Распространив на всю Вселенную закон тяготения, подтвержденный
тогда лишь для Солнечной системы, Ньютон рассмотрел возможную
структуру гравитирующей Вселенной в целом при двух противоположных
допущениях – конечности и бесконечности Вселенной. Он пришел к
выводу, что лишь во втором случае материя можеи существовать в виде
множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же
Вселенной все центры гравитации рано или поздно слились бы в единое
тело в центре мира. Таким образом, уже само наблюдение бесчисленных
звезд подсказывало мысль о бесконечности мирового пространства.
Поэтому фундаментальной моделью Вселенной стало представление о
бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные
материальные космические объекты, связанные друг с другом силой
всемирного тяготения, определяющей характер их движения.
Итак, вселенная бесконечна в пространстве, но вечна ли она во
времени? Если предположить бесконечность и вечность Вселенной,
заполненной бесконечным множеством звёзд, то возникает проблема,
известная как «парадокс Ольберса» - небо должно днём и ночью светиться
с яркостью Солнца, поскольку любой луч зрения должен упираться в
какую-нибудь звезду. Этот парадокс неразрешим в модели бесконечной,
вечной, стационарной Вселенной.
Ньютон задумывался над проблемой происхождения упорядоченной
Вселенной. Здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не
располагал научными фактами. Однако Ньютон понял, что одних только
механических свойств материи для объяснения происхождения
наблюдаемого строения Вселенной недостаточно. Он критиковал
атомистов и механицистов (например, чисто механическую космогонию
25
Декарта), утверждая, что из одних только механических движений частиц
не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство живых
существ на Земле. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем
тяготение, организующей силе, каковой в эпоху Ньютона мыслился только
Бог. Тайной для ученого оставалось и начало орбитального движения
планет (тангенциальную составляющую их скорости). Из одного лишь
притяжения тел друг к другу не может возникнуть обращение одного тела
вокруг другого. Поэтому он допустил некий божественный
“первотолчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное
движение. Гипотеза «вихрей» Декарта, согласно которой вихри материи
являются источником движения планет, отвергалась Ньютоном как
произвольно вымышленная и недоказуемая.
Благодаря Ньютону утвердилось представление о существовании
бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового
пространства. Сам Ньютон, правда, обдумывал идею крайне разряженной
мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет.
Рассматривал он и гипотезу некоторой среды, передающей гравитационное
взаимодействие. Однако в борьбе со взглядами Декарта и его чисто
механистической школы утвердился принцип дальнодействия – как
передачи действия тяготения от одного тела к другому мгновенно, на
любое расстояние и через пустоту.
С именем Ньютона связано также введение в науку понятий об
абсолютном пространстве и абсолютном времени.
Пространство
Ньютон
отождествлял
с
пустотой,
рассматриваемой как «вместилище» тел. Пространство абсолютно в
том смысле, что существует везде и всегда, и все, что существует, имеет
свое место в этом едином всеобъемлющем пространстве. Пространство
обладает следующими характеристиками: оно трехмерно, однородно (все
его точки одинаковы), изотропно (все направления в нем равноправны),
непрерывно, его свойства описываются геометрией Евклида.
Абсолютность пространства состоит и в том, что оно существует
независимо от времени и от расположенных в нем материальных
объектов, и его свойства не зависят от того, что в нем существует и
происходит.
Время также абсолютно в том смысле, что существует само по себе,
независимо от всего, что происходит во времени, «течет» равномерно и
образует необходимое условие любого процесса. В отличие от
пространства
оно
обладает
следующими
характеристиками:
одномерность, однонаправленность, необратимость.
Существовали во времена Ньютона и другие точки зрения на
пространство и время (например, реляционная теория Лейбница), однако
взгляды Ньютона доминировали в физике вплоть до начала ХХ века.
26
Трудно переоценить значение творческого наследия Ньютона.
Дальнейшее развитие естествознания подтвердило закон всемирного
тяготения в масштабах не только планетной и звездной, но и
внегалактической Вселенной. Понятие гравитации получило дальнейшее
развитие в общей теории относительности А.Эйнштейна.
Лекция 5. Электромагнитная картина мира
В ХIХ веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории
тяготения. Они перенесли внимание с тел, обусловливающих
гравитационное
взаимодействие,
на
пространство
между
взаимодействующими телами. Это произошло тогда, когда физики
занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили
Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879).
Они искали суть физических явлений во взаимодействии тел с
окружающей их средой.
Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их
взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемые ими
гравитационные поля играли одинаково важную и взаимодополняющую
роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою
очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с
другом непосредственно на расстоянии, но каждая частица
испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного
поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает
непосредственное действие на расстоянии, т. е. принцип дальнодействия
Ньютона, и пустоту заменяет материальной средой.
Таким образом, на место принципа дальнодействия Ньютона был
поставлен принцип близкодействия, согласно которому, физическое
действие может передаваться только от точки к точке и только с
ограниченной скоростью. Пределом скорости распространения
физического действия выступает скорость света в вакууме (с).
Ранее ученые считали, что электричество и магнетизм не связаны
между собой. Но однажды датский физик Х.К.Эрстед (1777-1851),
показывая опыт с электрическим током, заметил, что каждый раз, когда по
проволочному контуру проходил электрический ток, стрелка лежащего
рядом компаса вздрагивала. Эрстед обнаружил, что электрический ток
создает магнитное поле. Изменяющееся (переменное) электрическое поле
создавало магнитное поле.
Фарадей показал, что при прохождении магнита через виток провода,
в нем возникает электрический ток. Это означало, что изменение
магнитного поля (переменное магнитное поле) создает электрическое
поле. Была доказана единая природа электрического и магнитного полей.
27
Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля как особой
среды физических взаимодействия.
Математическую обработку теории электромагнетизма создал
Максвелл. Он начал с рассмотрения четырех основных фактов об
электричестве и магнетизме:
1. Электрические заряды отталкиваются или притягиваются с силой,
обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
2. Движущийся электрический заряд или ток создает магнитное поле.
3. Движущийся магнит создает ток, т. е. электрическое поле.
4. Электрический ток в одной цепи может порождать (индуцировать)
ток в соседней цепи.
Создавая теорию электромагнетизма, Максвелл использовал аналогию
между «силовыми линиями» поля и «потоком» в гидродинамике. Так,
скорость течения «электрической жидкости» соответствовала силе тока, а
разница давлений жидкостей – разности электрических потенциалов.
Четыре уравнения Максвелла, использующие векторный анализ,
дают математическое описание электромагнитного поля.
Самым неожиданным для Максвелла оказалось то, что
электромагнитное поле может существовать самостоятельно: оно
отрывается от колеблющегося заряда и распространяется в пространстве.
Электрическое и магнитное поле в ходе своего изменения взаимно
возбуждают
друг
друга,
в
результате
чего
возникают
электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью
света в вакууме.Максвелл теоретически предсказал существование
электромагнитных волн, определив, что они распространяются со
скоростью света. Он открыл, что свет – это электромагнитная волна.
Через 10 лет после смерти Максвелла, в 1889 году, немецкий физик
Генрих Герц (1857 – 1894) обнаружил электромагнитные волны
неоптического диапазона – радиоволны. Сегодня физикам известен целый
спектр электромагнитных волн: радиоволны, свет (оптический диапазон),
рентгеновское излучение, гамма-излучение и др.
Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также
последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для
дальнейшего развития научного представления об устройстве мира.
ЛЕКЦИЯ 6. Принцип относительности. Теория относительности
А.Эйнштейна
Принцип относительности. Впервые идея относительности
движения теоретически обсуждается в четвертой апории Зенона Элейского
«Стадий», в которой один и тот же всадник за одно и то же время проходит
относительно одного всадника половину пути, а относительно другого –
целый путь. Поставив вопрос о том, каков же «истинный путь», Зенон
28
пришел к выводу, что движение, с точки зрения разума, вообще не
существует.
В XVII в. принцип относительности движения находит свое развитие
в работах Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с
таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом
основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается
от состояния покоя. Говорить о «движении вообще» бессмысленно. Можно
говорить лишь о движении относительно какого-то выбранного тела,
точки отсчета. Это тело помещается в основание некоторой «системы
отсчета», системы координат.
Следующим этапом развития принципа относительности движения
было представление об инерциальной системе, выдвинутое Галилеем и
Ньютоном. Процессы движения в классической механике происходят в
особых, привилегированных системах отсчета. Инерциальная система – та,
в которой тело, на которое не действуют внешние силы, покоится или
движется равномерно и прямолинейно. Принцип относительности
движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах
все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких
системах законы движения тел выражаются той же самой математической
формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два наблюдателя,
находящиеся в разных инерциальных системах, не заметят никаких
изменений.
Принцип относительности Галилея гласит, что если законы
движения справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в
любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно
относительно первой. Если же две системы координат движутся друг
относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть
справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в
которых законы механики справедливы, называются инерциальными
системами. Вопрос о том существует ли вообще инерциальная система,
стал важной и трудной физической проблемой. Но если есть хотя бы одна
такая система, то их имеется бесконечное множество.
В первой четверти XX века произошла вторая в истории
естествознания научная революция, приведшая к полному преобразованию
классической механистической картины мира.
В науке конца XIX – начала XX вв. господствовали идеи
электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о
независимом существовании таких фундаментальных сущностей, как
пространство, время, материя. Пространство рассматривалось как
плоское, евклидово, бесконечное. Материя – как составленная из
нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа
взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Абсолютной
системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет
29
рассматривался как колебания (волна) эфира. Законы, открытые для
макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу
масштабов – от космологических до атомных.
Однако уже в конце XIX века возникли сомнения в существовании
мирового эфира. В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард
Морли предположили, что если мировой эфир существует, то при
движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать «эфирный
ветер», и если свет – волна в эфире, то скорость луча света должна зависеть
от скорости движения Земли сквозь эфир и складываться из собственной
скорости света в неподвижном эфире и скорости движения Земли в случае
встречного движения Земли и луча света. Однако в опытах Майкельсона –
Морли скорость света оставалась величиной постоянной, «эфирный ветер»
обнаружен не был.
Из опыта Майкельсона-Морли можно было сделать следующие
выводы:
1. Мирового эфира не существует.
2. Скорость света - предельно большая величина скорости любого
движения, и к движению света не применим кажущийся очевидным
принцип сложения скоростей, используемый в классической механике.
Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной
теории. Эту проблему удалось решить Альберту Эйнштейну (1879 –
1955), создателю теории относительности, которая состоит из двух
частей: специальной (частной) теории относительности (1905 г.) и
общей теории относительности (1916 г.)
Специальная теория относительности начинается с двух постулатов:
1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат,
движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
2. Законы природы одинаковы во всех системах координат,
движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
Специальная теория относительности описывает законы движения
при любых скоростях, но без учета силы тяготения. Обнаружить
релятивистские эффекты экспериментально, однако, можно лишь при
скоростях, близких к скорости света. При небольших скоростях
специальная теория относительности сводится к классической механике
Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.
Релятивистские эффекты, отличающие новое понимание движения
от ньютоновского, заключаются в следующем.
Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из системы отсчета,
движущейся относительно данной, размеры тел сокращаются в направлении
движения системы отсчета, сравнительно с их размерами в данной системе,
согласно формуле:
30
Дело не в том, что тело «на самом деле» сокращается, изменяет «свою
величину». «Истинного размера» не существует. «Размер» тела, его
пространственные характеристики – величина относительная.
В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной
системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно
формуле:
Точнее говоря, временные промежутки между событиями,
одновременность и даже в известной мере последовательность событий
во времени – относительны к системе отсчета (наблюдения). За один год,
прошедший внутри космического корабля, движущегося относительно
Земли со скоростью 0,99 от скорости света, пройдет 50 «земных» лет.
Относительной к системе отсчета величиной оказывается и масса
тела, которая для Ньютона была величиной абсолютной. Масса тела
зависит от его скорости, и с приближением скорости тела к скорости света
масса тела стремится к бесконечности. Со скоростью света могут
двигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Для наблюдателя из другой
системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно
формуле:
Таким образом, относительными к системе отсчета стали такие
понятия как «длина», «промежуток времени», «одновременность», «масса».
Существуют, однако, величины, не зависящие от системы отсчета, так
называемые инварианты:
- скорость света в вакууме (с);
- пространственно-временной интервал (S);
- само «событие».
Пространственно-временной интервал ∆S2=∆x2+∆y2+∆z2-∆(c2t2) был
выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцом для обозначения метрики
пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу
между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные
координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная
31
теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения
самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и
релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому
значение самого интервала остается тем же.
Эйнштейн нашел также связь массы и энергии тела: Е =. mc2. В
соответствии с этой формулой кусок раскаленного железа, например, весит
больше, чем кусок холодного железа той же массы.
В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности,
дополнив специальную теорию относительности общей теорией
относительности. Она представляет собой дальнейшее развитие и
обобщение
ньютоновской
теории
тяготения.
Общая
теория
относительности Эйнштейна
вскрыла
глубокую
связь между
пространством, временем, материей и тяготением. Геометрические
свойства пространства-времени были поставлены в зависимость от
распределения и движением материи. Поскольку пространство
немыслимо без материи, оно оказывается не «плоским» (евклидовым), а
«искривленным», и с повышением плотности материи «кривизна»
пространства возрастает.
Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В его
описании нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова
геометрия, возникшая еще в первой половине XIX века в трудах Карла
Гаусса (1777-1855), Яноша Бойаи (1802-1860), Николая Ивановича
Лобачевского (1793-1856), Бернхарда Римана (1826-1866). Геометрические
свойства неевклидова пространства удовлетворяют всем аксиомам
Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой
плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и
только одну прямую, параллельную (не пересекающую) данной, то в
неевклидовой геометрии таких прямых можно провести бесконечное
множество. В «плоском» пространстве Евклида кратчайшим расстоянием
между двумя точками является прямая, сумма углов треугольника равна
180 градусам, кривизна пространства равна 0, используется декартова
система координат. В сферическом пространстве Римана кривизна
пространства больше нуля, кратчайшим расстоянием является «дуга»
(геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов,
используется гауссова система координат. В псевдосферическом
пространстве Лобачевского кратчайшим расстоянием является «вогнутая
дуга», кривизна пространства меньше нуля, сумма углов треугольника
меньше 180 градусов, используется гауссова система координат. В общей
теории относительности используется геометрия Римана.
Общая теория относительности была шагом вперед в развитии
теории всемирного тяготения. Тяготение стало рассматриваться как
результат движения в искривленном вблизи другого тела
пространстве-времени. Это искривление пространства-времени изменяет
32
траектории движения всех тел, включая даже частицы света - фотоны,
которые, как нам представляется, всегда движутся по прямой (луч света).
Гравитационное поле стало, по сути, отождествляться с искривленным
пространством-временем. Это позволило Эйнштейну отказаться от
инерциальных систем отсчета и признать их не существующими в
природе. Система не может двигаться равномерно, прямолинейно и сколь
угодно долго, т. к. она всегда находится в поле тяготения.
В поле гравитации имеют место релятивистские эффекты
(сокращение длины тел, замедление течения времени и увеличение массы
тел), рассмотренные в специальной теории относительности. Так, в конусе
действия «черной дыры» масса тела относительно наблюдателя из другой
системы отсчета возрастает до бесконечности, размер превратится в точку,
а время остановится.
В основу общей теории относительности Эйнштейн положил
известный еще со времен Галилея факт равенства инертной и
гравитационной масс. Галилей не придавал большого значения этому
факту. Эйнштейн же увидел в нем глубинный закон природы, на основании
которого он сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип
устанавливает физическую идентичность поля тяготения и сил
инерции (ускоренного движения).
И,
наконец,
Эйнштейн
сформулировал
общий
принцип
относительности, согласно которому физические законы являются
инвариантными не только в инерциальных, но и в неинерциальных
системах, то есть во всех системах отсчета.
Общая теория относительности нашла и экспериментальные
подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и
Дайсоном
было
подтверждено
предсказание
общей
теории
относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории
вблизи Солнца. Было подтверждено также рассчитанное Эйнштейном
смещение перигелия Меркурия, которое невозможно объяснить другими
теориями.
ЛЕКЦИЯ 7. Современные представления о Вселенной.
Принципиально новые, революционные космологические следствия
общей теории относительности раскрыл русский математик и физиктеоретик А. А.Фридман (1888-1925). Решение уравнений Эйнштейна
позволило ему построить новые математические модели Вселенной.
Первую модель Вселенной на основе ОТО предложил сам Эйнштейн,
который пришел к выводу, что Вселенная должна быть стационарной и
иметь форму четырехмерного «цилиндра». Фридман же доказал, что
искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.
33
В 1922-1924 годах Фридман выступил с критикой модели Эйнштейна
и показал необоснованность исходного постулата о неизменности
Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о
возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во
времени, Фридман построил три математических модели Вселенной. В
двух из них радиус кривизны пространства растет, и Вселенная
расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из
некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей
Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.
Фридман сообщил о своих результатах Эйнштейну, который сначала
не обратил на них серьезного внимания, однако затем проверил его
результаты и признал их правильными.
Две первые модели Фридмана вскоре нашли подтверждение в
наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте
«красного смещения» в спектрах галактик. Красное смещение
свидетельствовало о «разбегании» друг от друга всех достаточно далеких
друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор
излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном
случае - водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной).
Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и
меньшую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней
галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы
наблюдаем смещение спектра в его «красную» часть. Таким образом
подтверждается факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной.
Большинство космологов понимает расширение как расширение всей
Вселенной.
Открытие расширения Вселенной связано и с именем американского
астронома Эдвина Хаббла (1889-1953). Он дал свой ответ на главный
вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл
измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы и
нашел общую закономерность движения галактик: “красные
смещения” в спектрах галактик росли пропорционально расстояниям
от наблюдателя (или от центра нашей галактики) (закон Хаббла). Чем
дальше галактики друг от друга, тем больше скорость их «разбегания»: (v =
H x R), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент
пропорциональности или постоянная Хаббла, R – расстояние до
наблюдаемой галактики. С увеличением расстояния между галактиками на
миллион парсеков (около трех миллионов световых лет) скорость их
«разбегания» увеличивается примерно на 70 километров в секунду.
Величина, обратная постоянной Хаббла , означавшая время, в
течение которого разбегались галактики, прямо указывала на то, что должно
было существовать начало такого разбегания, а может быть и начало
существования самой Вселенной.
34
t= =
= при подстановки V = H x R
Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала
теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В
астрономической картине мира утвердился образ нестационарной,
развивающейся Вселенной.
Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической
плотности (5 х 10-30 г/см3), то Вселенная будет «открытой», бесконечно
расширяющейся. Если же средняя плотность вещества во Вселенной
больше или равна критической плотности, то она – «закрытая», и со
временем начнет сжиматься, коллапсировать. Критическая плотность –
примерно 9 граммов в кубическом сантиментре, поделенные на единицу с
тридцатью нулями.
Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это
проблема скрытой массы, от которой зависит оценка средней плотности
вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются
«черные дыры». Черная дыра – это потухшая звезда, с массой более 3-х
масс Солнца, которая, исчерпав свое ядерное топливо, потухает и
испытывает гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие). Вокруг
«черной дыры» образуется своеобразная гравитационная «воронка», то есть
такое искривление пространства-времени, вследствие которого «черная
дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, следовательно, ее
невозможно обнаружить. Сила тяготения на поверхности «дыры» столь
велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость,
превышающую скорость света. На поверхности «черной дыры» имеют
место экзотические релятивистские эффекты (сокращение длины тела в
точку, увеличение массы тела до бесконечности, остановка времени).
Ученые предполагают, что «черные дыры» образуют ядра галактик. В
нашей галактике известно и описано 26 «черных дыр».
Современная астрономия не знает, что представляет собой Вселенная
в целом. Мы можем говорить лишь о той части Вселенной, которая
доступна нашему наблюдению – о нашей Метагалактике. Ее размеры
составляют около 10 миллиардов световых лет.
В 30-е годы ΧΧ века рядом ученых (Ж.Леметр, Э.Милн, А.Фридман)
была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва
сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи.
Научная космологическая теория - теория Большого Взрыва (Big
Bang) была создана американским физиком русского происхождения –
Г.А. Гамовым (1904-1968) совместно с физиками Р.Альфером и Г.Бете.
Согласно этой теории вся современная наблюдаемая нами Вселенная
представляет собой результат катастрофического взрыва материи,
находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии,
состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в
рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение
35
материи привело первоначально к неразделимой смеси – излучения и
вещества.
Первоначально Вселенная состояла из водорода (70%) и гелия (30%);
все остальные химические элементы возникли позже, когда образовались
звезды. Первое поколение звезд состояло только из гелия и водорода.
Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной
заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была
заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и
содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной
аннигиляции (взаимоуничтожения) частиц и античастиц остались частицы,
так как их было чуть больше. Исходное соотношение между излучением
(числом фотонов) и частицами (числом частиц) сохраняется и в
современной Вселенной.
Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной
Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как
тепловое, соответствующее температуре примерно в три градуса по шкале
Кельвина. Позднее оно было неоднократно обнаружено экспериментально
и получило название реликтового излучения.
Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва и показало, что у
нашей Вселенной имеется ранняя история, и что она, действительно,
эволюционировала.
Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось
13,7 миллиардов. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать
как последовательность эпох. Самая ранняя эпоха продолжалась 10-43 сек. К
концу этой эпохи температура составляла 1032К, а плотность вещества
достигала 1097кг/м3. В эту же эпоху существовали элементарные
строительные блоки (кварки).
По мере падения температуры из кварков образовались адроны
(тяжелые частицы).
Через 10-3 сек после начала расширения вещество Вселенной состояло
из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и
гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1 сек в результате
аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино,
гравитоны.
При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже
энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами,
образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 30%
атомарного гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из
свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже
слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь
очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия.
Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что
потребовалось 1015 сек, чтобы температура достигла 104К. На этой стадии
36
свободные протоны и электроны образовали атомарный водород. Вещество
стало прозрачным для излучения и с этого времени вещество и излучение
разъединились. С этого момента появилось реликтовое излучение, через
3.105 лет после Большого Взрыва.
В это же время стали образовываться электрически нейтральные
атомы (гелия и водорода), то есть ядра стали соединяться с электронами,
образуя «нормальный» атом – с ядром и электронной оболочкой.
Охлаждающийся газ образовал облака, из которых возникали
протогалактики. Области повышенной плотности притягивали
дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное
сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна
за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках
начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались,
происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура
центральных областей не поднялась до нескольких миллионов градусов,
чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной
энергии сжатие протозвезды
прекращается, так как температура и
давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации.
Протозвезда обретает равновесие и становится звездой.
Все химические элементы, за исключением гелия и водорода,
возникли на поверхности звезд (легче железа) и в недрах звезд (тяжелее
железа).
Сейчас существует 2-е поколение звезд, к которому относится и
наше Солнце.
По данным ряда астрофизиков, наблюдаемой Вселенной осталось
существовать 22 миллиарда лет. После чего она будет «разорвана»
набирающей уже сегодня силу «темной энергией», равносильной
антигравитации. На сегодня установлено, что Вселенная расширяется
быстрее, чем предполагали ранее. Это связано с нарастанием силы «темной
энергии» или антигравитации, существование которой предположил еще
Эйнштейн, обозначив ее в своем уравнении значком λ (лямбда). Силе
«темной энергии» могла бы противостоять сила гравитации, но она зависит
от массы вещества во Вселенной. Масса известного нам вещества
(протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т.д.) составляет всего 5% от
критической массы, необходимой для остановки расширения космоса с
помощью гравитации. Еще 30% необходимого вещества («темного
вещества») составляют таинственные частицы, которые предсказаны лишь
теоретически и экспериментально не наблюдались. «Темная энергия»
составляет около 70%. Таким образом, наша Вселенная обречена на
«великий разрыв», или – «Великий Хруст» - Big Crunch.
Физический вакуум – это разновидность реально существующей
материи, по своим свойствам отличающийся как от вещества, так и от поля.
37
В вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения
частиц.
Понятие «физический вакуум» было введено в 1928 году П.Дираком.
Согласно Дираку, это система частиц, в которой отсутствуют частицы с
положительной энергией. «Море Дирака» - это электроны с отрицательной
энергией. Дирак предсказал существование первой античастицы –
позитрона – как «дырки» в физическом вакууме. Вакуум – это система, в
которой отсутствуют реальные частицы данного вида (например,
электроны).
Появление реальных частиц рассматривается как возбуждение
вакуума, поэтому вакуум можно рассматривать как среду, порождающую
вещество и поле.
Вакуум – это состояние с наименьшей энергией при отсутствии
вещества. В вакууме происходят квантовые флуктуации полей и
виртуально рождаются частицы. Энергия вакуума может переходить в
поле, а поле – в частицы. Так, на короткое время (определяемое
соотношением неопределенностей Гейзенберга) любая система может
перейти в состояние, отличающееся от предыдущего состояния по энергии,
с нарушением закона сохранения энергии. Такие переходы называются
виртуальными. Так как по теории относительности Эйнштейна энергия
может переходить в массу (Е = m.c2), то виртуальные переходы
соответствуют рождению частиц на короткое время.
Физический вакуум существует повсюду. В нем происходит
взаимодействие элементарных частиц. Вакуум воздействует на все тела
своей антигравитацией, но обратному гравитационному воздействию от
этих тел не поддается.
Согласно инфляционной модели Вселенной нидерландского
астронома В. де Ситтера в ранние моменты эволюции Вселенной вся
энергия мира была заключена в вакууме. Стадия инфляционного
(сверхбыстрого) расширения Вселенной длилась 10-35 сек. За это время
Вселенная быстро расширялась, а заполняющий ее вакуум растягивался.
Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, когда
возникновения малейших неоднородностей было достаточно, чтобы
вызвать переход системы в другое состояние. При переходе вакуума в
другое состояние выделяется огромная энергия. За счет этой энергии
происходит рождение из вакуума реальных частиц, которые начинают
двигаться с огромными скоростями. Температура вселенной возрастает до
1027 0К. Вселенная становится горячей.
Физический
вакуум
является
ненаблюдаемой
физической
реальностью. У нас нет фундаментальной физической теории, адекватно
описывающей его состояния и динамику. Также имеет место
недостаточность
экспериментальных
данных.
Единственным
доказательством
существования
вакуума
являются
точные
38
предсказания взаимодействия с ним реальных частиц. Так, например,
аномальный магнитный момент электрона появляется в результате его
взаимодействия с вакуумом.
Антропный космологический принцип.
Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые
пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий
Вселенную наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень
хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая
Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые
физики предположили, что строение физического мира неотделимо от
существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают,
что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку
всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а
антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.
Антропный принцип был впервые выдвинут английским
астрофизиком Брэндоном Картером в 1973 году в качестве противовеса
неоправданно широкому использованию принципа Коперника, согласно
которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной.
Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки,
так как само наше существование как сложных физико-химических
существ требует определенных условий, которые встречаются только
в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее
истории. Само наше существование как разумных существ зависит от
структуры физического мира. Так, если бы любое из точно
отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна
(по крайней мере, известная нам ее форма).
Многие из основных свойств Вселенной определяются, в сущности,
значениями фундаментальных физических констант, таких, как
гравитационная постоянная, заряд электрона, масса протона,
постоянная Планка, скорость света в вакууме и др. Свойства Вселенной
были бы совершенно иными, если бы перечисленные константы имели
значения, хотя бы слегка отличающиеся от наблюдаемых. Все это
побуждает задать вопрос: почему из бесконечной области всевозможных
значений фундаментальных констант, из бесконечного разнообразия
первоначальных условий, которые могли бы существовать в ранней
Вселенной, реализуется вполне конкретный набор и конкретные величины
констант? Ответы на этот и подобные вопросы пытается дать Антропный
принцип, который подразделяется на 4 вида (модификации).
Слабый Антропный принцип: «То, что мы ожидаем наблюдать,
должно быть ограничено условиями нашего существования как
наблюдателей» (Б.Картер). Любые космологические наблюдения,
39
сделанные астрономами, основаны на всеобъемлющем селекционном
эффекте: нашем собственном существовании. Мы не можем наблюдать
явления, существование которых несовместимо с нашим существованием.
Сильный Антропный принцип: «Вселенная должна иметь такие
свойства, которые позволяют жизни развиться внутри нее на некоторой
стадии ее истории. Или: Вселенная такова потому, что мы существуем»
(Б.Картер). Этот принцип указывает на специфику самой Вселенной,
которую мы населяем. Для устойчивого существования атомов, звезд,
галактик необходима очень тонкая «подгонка» ряда численных величин
фундаментальных физических констант. Небольшое отклонение от этих
величин, хотя бы одной из них, приводит к потере устойчивости или к
выпадению определенного звена эволюции. Получается, что наша
Вселенная как бы «запрограммирована» кем-то определенным, наилучшим
образом, например, Богом или некоей «высшей разумной силой». Здесь
физика соприкасается с теологией. Поскольку в современной физике
прибегать к теологическим аргументам не принято, некоторые ученые (Гут,
Стейнхард, Линде и др.) предложили гипотезу множественности
вселенных. Согласно ей, наша Вселенная - лишь одна из множества
существующих Вселенных, и нам «повезло», что в результате игры случая
в ней сложились оптимальные условия для нашего существования.
Антропный принцип участия: «Необходимы наблюдатели, чтобы
существовала Вселенная» (Дж.Уиллер). Этот принцип имеет физическое
содержание, когда рассматривается в свете копенгагенской интерпретации
квантовой механики.
Финальный Антропный принцип: «Разумный информационный
процесс должен возникнуть во Вселенной и, однажды возникнув, он
никогда не умрет» (Ф.Типлер). Если образование сознания с
необходимостью подразумевается всеобщим порядком, то тогда будет
трудно примириться с перспективой его будущего разрушения, которое
кажется неизбежным в ряде космологий. Более разумно было бы
предположить, что природа не безразлична к будущей судьбе сознания и
обеспечит условия его вечного существования, совсем не обязательно в
человеческих формах.
ЛЕКЦИЯ 8. Представление об элементарных частицах и их
свойствах.
Первые модели атома.
Английский физик Дж.Томсон (1856-1940), исследуя прохождение
электрического тока через разреженные газы, открыл в 1897 г. электрон, и
определил его заряд. Томсон показал, что электрон - один из составных
элементов атома, один из элементарных кирпичиков, из которых построено
40
вещество. Он предложил в 1903 г. одну из первых моделей атома, согласно
которой атом представляет собой сферическую положительно заряженную
сферу, «набитую» электронами, подобно “булке с изюмом”. Извлечь
электроны из атома сравнительно легко. Это можно сделать нагреванием,
трением или бомбардировкой атома другими электронами.
Однако большую часть массы атома составляют не электроны, а
ядро атома. Существование ядра было открыто Э.Резерфордом (18711937), который бомбардировал золотую фольгу α- (альфа) частицами и
обнаружил, что есть места, где частицы отскакивают от чего-то
массивного, а есть места, где частицы свободно пролетают насквозь.
Резерфорд создал на основе этого открытия планетарную модель
атома. Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, которое
сосредоточивает в себе основную массу атома, а вокруг ядра по круговым
орбитам обращаются электроны, подобно тому, как планеты обращаются
вокруг Солнца. Атом Резерфорда, согласно известным законам
электродинамики, должен постоянно излучать энергию, поэтому электроны
должны были бы приближаться к ядру, упасть на него и его разрушить, т. е.
такой атом не может быть стабильным. Однако атом очень устойчив, и
разрушить его крайне трудно. Эта проблема некоторое время не находила
своего решения.
Фотоэлектрический эффект.
В 1888-1890 гг. русским физиком А.П.Столетовым был исследован
фотоэлектрический эффект. Свет может «выбивать» из металла электроны.
Мы можем подсчитать число этих электронов, определить их скорость и
энергию. Если бы освещаем металл светом той же длины волны, но из
более мощного источника, то следовало бы ожидать, что энергия
испускаемых электронов будет больше. Однако, ни скорость, ни энергия
электронов не изменяются при возрастании интенсивности света. Это
явление оставалось непонятным до открытия кванта энергии М.Планком.
Опираясь на идею кванта, А.Эйнштейн разработал в 1905 году теорию
фотоэффекта.
Ультрафиолетовая катастрофа.
В конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила
название
«ультрафиолетовой
катастрофы».
Экспериментальное
исследование спектра теплового излучения абсолютно черного тела дало
результаты, несовместимые с расчетами, проведенными в рамках
классической электродинамики. По расчетам получалось, что в
ультрафиолетовом конце спектра излучения интенсивность должна
неограниченно возрастать, что коренным образом противоречило опыту.
Отметим, что любое нагретое тело испускает излучение определенной
длины волны в зависимости от своего химического состава. Это можно
видеть по разным спектрам излучений, полученным от разных химических
элементов.
41
Открытие кванта энергии М.Планком.
Пытаясь решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы», М.
Планк (1858-1947) был вынужден допустить, что противоречие возникает
из-за неправильного понимания классической физикой самого механизма
излучения. В 1900 г. он выдвинул гипотезу о том, что излучение и
поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно - порциями
(квантами). Планк назвал эти порции энергии фотонами. Энергия
фотона определяется по формуле E = hν, где ν – частота излучения, а h коэффициент пропорциональности, или постоянная Планка.
На основе идеи Планка удалось решить не только проблему
«ультрафиолетовой катастрофы», но и другие вышеперечисленные
проблемы. Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает
объяснение и фотоэлектрическому эффекту. Поток фотонов падает на
металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него
электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую
энергию. Поэтому понятно, что увеличение интенсивности света
означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из
металлической пластинки вырывается большее число электронов, но
энергия каждого отдельного электрона не изменяется.
Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, т. е.
волн разной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше
энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из
фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света. Если мы
будем выбивать электроны волной большей частоты, то энергия
выбиваемых электронов возрастет.
Модель атома Н.Бора.
Датский физик Нильс Бор (1885-1962) создал свою модель на основе
открытия Планка, которое позволило ему разрешить затруднения
планетарной модели атома Резерфорда.
Согласно модели атома водорода Бора, в центре атома расположено
массивное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются
электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями
(квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы
наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В
случае же поглощения атомом энергии имеет место переход электронов с
внутренней орбиты на внешнюю.
Вышеперечисленные открытия, как и многие другие, нельзя было
понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была
новая теория, которая была создана в 1925-1927 гг. и получила название
квантовой механики.
42
После того, как физики установили, что атом не является последним
кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, начался
поиск элементарной частицы.
Элементарной частицей в настоящее время называют такую
частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона,
нейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.
Как мы уже знаем, первой открытой в 1897 году Дж.Томсоном
элементарной частицей был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открыл
протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав
атомного ядра. В 1932 году английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтрон
- тяжелую частицу, не имеющую электрического заряда и тоже входящую в
состав атомного ядра. В 1932 году П. Дирак предсказал первую
античастицу – позитрон, по массе равный электрону, но обладающий
противоположным (положительным) электрическим зарядом. Обнаружен
позитрон был в том же 1932 году американским физиком К.Андерсоном в
космических лучах.
В 1936 году были открыт мюон и его античастица - также в
космических лучах.
В 1955 году в опытах на ускорителе элементарных частиц был
зарегистрирован антипротон.
В 1956 году был зарегистрирован антинейтрон.
На сегодняшний день обнаружены античастицы практически у всех
известных частиц.
Частица и античастица должны иметь одинаковые массы и время
жизни в вакууме, но отличаться противоположными значениями
какого-либо признака (например, электрического или барионного заряда).
Если все свойства частицы и античастицы совпадают, то такая частица
называется истинно нейтральной, например, фотон, нейтральный пион и
др.
С 50-х годов ХХ века основным средством открытия и исследования
элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – адронные
коллайдеры.
Все частицы делятся на частицы вещества и частицы-переносчики
фундаментальных взаимодействий.
Исходными частицами, из которых построены все остальные
частицы и все вещество во Вселенной, являются лептоны (и их
античастицы) и кварки (и антикварки), из которых построены адроны.
Вещество Вселенной состоит из 2-х лептонов (электрона и
электронного нейтрино) и 2-х адронов: протона и нейтрона, из которых
состоят атомы. Все остальные частицы возникают лишь в ускорителях и в
явлениях, порождаемых космическими лучами.
Частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий – это
фотоны, гравитоны, промежуточные векторные бозоны, глюоны. Они
43
переносят электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное
взаимодействие. Все эти частицы экспериментально обнаружены, кроме
гравитона, который пока еще является гипотетической частицей.
Характеристики элементарных частиц.
1. Одна из существенных характеристик элементарных частиц состоит
в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса
большинства из них составляет 10-24 грамма, а размер - порядка 10-16
сантиметра.
2. Другая характеристика элементарных частиц – это способность
рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при
взаимодействии с другими частицами. Например, при взаимодействии
(аннигиляции) двух противоположных частиц электрона и позитрона
выделяется два фотона (кванта энергии): е- + е+ = 2γ
3. Следующей важной характеристикой является трансмутация, то
есть «превращение» частиц при взаимодействии, причем масса новых
частиц может превосходить массу исходных: часть энергии, выделившейся
при взаимодействии, переходит в массу.
4. Элементарные частицы различаются по: 1) видам взаимодействия;
2) типам взаимодействия; 3) массе; 4) времени жизни; 5) спину; 6)
электрическому или барионному заряду.
5. Элементарные частицы участвуют во всех видах фундаментального
взаимодействия.
Фундаментальное взаимодействие.
Все разнообразие сил, действующих в природе, можно свести к
четырем
фундаментальным
взаимодействиям:
сильному,
электромагнитному, слабому и гравитационному. Все взаимодействия
между частицами вещества переносятся другими частицами – частицамипереносчиками взаимодействий, называемыми виртуальными, т. к. их
нельзя зафиксировать при помощи детектора частиц. При некоторых
условиях частицы-переносчики можно зарегистрировать в виде волн
(например, электромагнитных волн для фотона).
Как происходит взаимодействие? Действие поля одной частицы
вещества на другую частицу происходит в результате поглощения второй
частицей одного из квантов, испущенных первой частицей. Например,
один из электронов испускает фотон (квант) и переходит при этом в новое
энергетическое состояние. Этот фотон поглощается другим электроном, и
состояние последнего тоже изменяется.
Виды взаимодействия.
Сильное ядерное взаимодействие – обусловливает связь между
протонами и нейтронами в атомных ядрах, а также связь между кварками в
протонах и нейтронах. Переносчиком этого взаимодействия являются
глюоны.
44
Электромагнитное взаимодействие – менее интенсивно, чем
сильное ядерное, определяет связь между электронами и ядром в атоме, а
также связь между атомами в молекуле. Переносчиком этого
взаимодействия являются фотоны.
Слабое взаимодействие вызывает медленно текущие процессы, в
частности процесс распада частиц, например, радиоактивные процессы.
Переносчиком этого взаимодействия являются промежуточные
векторные бозоны.
Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между
отдельными частицами; сила этого взаимодействия в квантовой механике
крайне мала вследствие малых расстояний и малости масс, но его сила
значительно возрастает при взаимодействии больших масс. Переносчиком
этого взаимодействия являются гипотетические, пока еще не
обнаруженные частицы – гравитоны.
В квантовой механики все элементарные частицы могут
взаимодействовать только по двум типам: адронному и лептонному.
По массе частицы подразделяют на тяжелые (протон, нейтрон,
гравитон и др.), промежуточные (мезон) и легкие (электрон, фотон,
нейтрино и др.) Фотон в состоянии покоя имеет нулевую массу.
По времени своего существования частицы подразделяются на
стабильные, с достаточно длительным сроком существования (например,
протоны, нейтроны в составе атома, электроны, фотоны, нейтрино и др.),
квазистабильные, то есть имеющие достаточно короткое время жизни
(например, античастицы) и нестабильные, имеющие предельно короткое
время существования (например, резонансы).
Каждая элементарная частица имеет спин (от английского - вертеться,
вращаться), характеризующий ее собственный момент количества
движения, имеющий квантовую природу и не связанный с ее
перемещением как целого. Спин измеряется целым или полуцелым числом.
Элементарные частицы можно разделить по спину на бозоны и фермионы.
Частицы с нулевым или целыми спинами (1 или 2) называют бозонами.
Частицы с полуцелыми спинами называют фермионами. Частицы, из
которых состоит вещество, являются фермионами, а частицыпереносчики взаимодействий – бозонами.
Концепция спина была введена в физику в 1925 году американским
ученым Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими, что электрон
можно рассматривать как «вращающийся волчок».
Для элементарных частиц характерно наличие положительного или
отрицательного электрического заряда, либо отсутствие электрического
заряда вообще. Кроме электрического заряда, у элементарных частиц
группы барионов присутствует барионный заряд.
Теория кварков.
45
В 1964 году американский ученый Мюррей Гелл-Манн и
швейцарский ученый Георг Цвейг предположили, что адроны должны
состоять из простейших структурных частиц – кварков. Кварк – это
точечное бесструктурное образование, с размерами менее 10-18 м. Термин
«кварк» предложил Гелл-Манн. Он позаимствовал его из романа Джеймса
Джойса «Поминки по Финнегану», где главный герой – король Марк мчится на корабле за Тристаном и Изольдой, а злобные чайки, кружащиеся
над Марком, кричат: «Три кварка для мистера Марка». Цвейг предлагал
другой термин – «туз», который не прижился.
Согласно теории кварков, существует шесть типов или «ароматов»
кварков. Каждому кварку соответствует антикварк.
Все барионы состоят из 3 кварков, а мезоны из 1 кварка и 1
антикварка.
Каждый кварк может иметь три энергетических состояния или
«цвета», каждый окружен своим глюонным облаком. Глюон – это
частица-переносчик сильного ядерного взаимодействия (от англ. слова
glue, что означает «склеивать». Глюоны «склеивают» кварки в барионах и
мезонах, а также они «склеивают» протоны и нейтроны в атомном ядре.
При взаимодействии двух протонов (или двух нейтронов, или протона
и нейтрона) происходит сближение двух «мешков» с кварками, которые на
достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами. Глюоны
взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.
У сильного ядерного взаимодействия есть еще одно необычное
свойство – конфайнмент (от англ. слова confinement – ограничение,
удержание). Конфайнмент заключается в том, что частицы всегда
удерживаются в «бесцветных» комбинациях. Один кварк не может
существовать сам по себе, потому что в этом случае он должен был бы
иметь цвет (зеленый, красный или желтый). При попытке «вытащить» один
кварк из протона получается мезон, который и наблюдается в опыте.
Красный кварк должен быть соединен с желтым и зеленым (чтобы
получилась бесцветная комбинация) посредством глюонной струны. Такой
триплет оказывается протоном или нейтроном. Если объединяются кварк и
антикварк (красный и антикрасный, либо синий и антисиний, либо желтый
и антижелтый), то образуется мезон.
Глюоны тоже имеют «цвет» и аналогично кваркам не могут
существовать по отдельности из-за конфайнмента. Глюоны должны
группироваться таким образом, чтобы в сумме давать «белый» цвет.
Струны – это глюоны, или одномерные порции энергии. Они подобны
обычным струнам, только значительно тоньше их; они составляют 10 -21см.
Струны могут быть замкнутыми или открытыми, могут иметь различное
натяжение, могут вибрировать с разной частотой, могут взаимодействовать
друг с другом, могут сливаться, распадаться, колебаться и т. д. Через
46
суперструны можно представить любую частицу, наблюдаемую во
вселенной.
Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не
привели. Доказательством существования кварков служит опыт по
просвечиванию нуклонов (протонов, нейтронов) электронами, который
называется глубоконеупругим рассеянием электронов.
ЛЕКЦИЯ 9. Основные принципы квантовой механики
Как показывает история естествознания, свойства элементарных
частиц, с которыми столкнулись физики, изучая микромир, не
укладываются в рамки традиционных физических теорий. Попытки
объяснить микромир с помощью понятий и принципов классической
физики потерпели неудачу. Поиски новых понятий и объяснений привели к
возникновению новой физической теории – квантовой механики, у
истоков которой стояли такие выдающиеся физики как В. Гейзенберг, Н.
Бор, М. Планк, Э. Шредингер и др.
Вспомним историю изучения природы света, а точнее, непримиримые
разногласия между Ньютоном и Гюйгенсом. Ньютон рассматривал свет как
поток корпускул, а Гюйгенс – как волны, возникающие в особой среде –
эфире.
В 1900 году М.Планк, как мы помним, обнаружил дискретные порции
энергии (кванты), и возникло представление о свете как о потоке
квантов или фотонов.
Однако наряду с квантовым представлением о свете продолжала
развиваться и волновая механика света в работах Луи де Бройля и Э.
Шредингера. Луи де Бройль открыл подобие между колебанием струны и
атомом, испускающим излучение. Атом ведет себя подобно акустическому
инструменту, создающему стоячие волны. Луи де Бройль сделал смелое
предположение, что движущийся равномерно и прямолинейно электрон
– это волна определенной длины. В то же время электрон - частица (были
определены его масса и заряд). Электрон ведет себя подобно частице, когда
он движется в электрическом или магнитном поле. Он же ведет себя
подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл или
дифракционную решетку.
Изучение специфических свойств микрообъектов началось с
экспериментов, в ходе которых было установлено, что микрообъекты в
одних опытах обнаруживают себя как частицы (корпускулы), а в
других – как волны.
Опыт Дэвисона и Джермера по отражению электронов от
монокристалла никеля показал существование дифракции электронов,
подобной дифракции световых волн. Более того, другие эксперименты
привели к парадоксу: если электроны, вылетающие по одному, проходят
47
через экран с двумя отверстиями, то не имеет смысла говорить, что каждый
отдельный электрон прошел через одно определенное отверстие. Если бы
это было так, результат опыта был бы совершенно иным. Приходится
признать, что единый и неделимый электрон может проходить сразу через
оба отверстия!
Принцип Луи де Бройля. «Волны материи».
В 1925 году Луи де Бройль (1875-1960) выдвинул принцип, согласно
которому каждой материальной частице независимо от ее природы
следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно
пропорциональна импульсу частицы:
где λ – длина волны, h – постоянная Планка, равная 6,63 х 10-34 Дж х
сек, р – импульс частицы, равный произведению массы частицы на ее
скорость (р = mν). Таким образом, было установлено, что не только
фотоны (частицы света), но и другие материальные частицы, такие
как электрон, протон, нейтрон и др. обладают двойственными
свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы.
Так, в одних экспериментах элементарная частица может себя вести как
корпускула, а в других - как волна. Очевидно, что чем меньше масса
частицы, тем длина ее волны больше, и тем больше она проявляет свои
волновые свойства. Самой легкой частицей является фотон. У него масса
покоя равно нулю, а поэтому преобладают волновые свойства. У тяжелой
частицы – протона - тоже имеются волновые свойства, но длина его волны
крайне мала.
Отсюда следует, что любое наблюдение микрообъектов невозможно
без учета влияния приборов и измерительных средств. В нашем макромире
мы не замечаем влияния прибора наблюдения и измерения на макротела,
которые изучаем, так как это влияние чрезвычайно мало и им можно
пренебречь. В микромире макроприбор не может не влиять на объект, не
вносить в него изменения.
Принцип дополнительности Н.Бора.
В качестве следствия из противоречивости корпускулярных и
волновых свойств частиц Бор выдвинул в 1925 году принцип
дополнительности.
Этот
принцип
имеет
две
формулировки:
содержательную квантово-механическую и облегченную.
Однако,
прежде
чем
говорить
о
собственно
принципе
дополнительности, нужно вспомнить ряд важных положений квантовой
механики.
1. Движение микрообъектов радикально отличается от движения
макрообъектов: если любой макрообъект всегда движется по некоторой
траектории (например, Земля движется вокруг Солнца по эллипсу), то
движение в микромире не имеет траектории (например, движение
48
электрона в атоме водорода не может быть описано с помощью
представлений об орбите, а может быть описано с помощью некоторого
«облака вероятности», окружающего атомное ядро).
2. В силу «бестраекторности» микродвижения оно описывается
«волной» или «облаком» вероятности, выражаемой особой волновой
функцией ψ(x, t), зависящей от положения микрообъекта в
пространстве (x) во времени (t). Эта функция показывает, чем отличается
вероятность пребывания микрообъекта в одной точке пространства в один
момент времени от вероятности его пребывания в другой точке
пространства в другой момент времени. Основным законом квантовой
механики, описывающим движение микрообъекта, является уравнение
Э.Шредингера(1887-1961).
iћ =
Где i – любое произвольное действительное число, ћ – величина
обратная h (постоянной Планка), t – время.
Принцип дополнительности.
Точная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное
применение к нему динамических законов сохранения (закона сохранения
энергии, закона сохранения импульса, закона сохранения момента
импульса и др.) взаимоисключают друг друга. Подчинение объекта
динамическим законам сохранения означает применимость к объекту
понятия причинности.
Взаимоисключаемость пространственно-временного и причинного
описания означает следующее. Если точно известно, где и когда сила
действует на микрообъект, то совершенно не определен динамический
эффект ее действия, то есть вызываемое ею изменение энергии и
импульса; если же точно известен эффект действия силы, то совершенно
не определено, где и когда она действует.
Пространственно-временное описание микрообъектов и точное
причинное их описание взаимно исключают друг друга, но хотя они и
исключают
друг
друга,
их
следует
рассматривать
как
взаимодополнительные.
Говоря о пространстве, времени и причинности, Бор подразумевает
«наши» макро-пространство, макро-время и макро-причинность, которые
он использует для описания микрообъектов.
Облегченная формулировка принципа дополнительности.
Суть ее состоит в следующем: чрезвычайно характерную черту
атомной физики представляет новое отношение между явлениями,
наблюдаемыми в разных экспериментальных условиях. Получаемые при
таких условиях опытные данные надо рассматривать как
49
дополнительные, так как они представляют одинаково существенные
сведения об атомных объектах, и, взятые вместе, исчерпывают их.
Взаимодействие между измерительными приборами и исследуемыми
физическими объектами составляет неотъемлемую часть квантовых
явлений.
Бор предлагал использовать свой принцип дополнительности не
только в квантовой механике, где он был открыт, но и в других областях
знания, например, в психологии, культурологи, социологии и др. К
примеру, если мы изучаем мировую культуру, то нам следует
рассматривать различные культуры, даже противоречащие друг другу, как
взаимодополнительные, и, взятые вместе, исчерпывающие мировой
культурный процесс.
Принцип неопределенности В.Гейзенберга.
Следующим, наиболее фундаментальным принципом квантовой
механики является принцип неопределенности, сформулированный в 1927
году Вернером Гейзенбергом (1901 – 1976). Суть его состоит в следующем.
Невозможно одновременно и с одинаковой точностью определить
координату микрочастицы и ее импульс. Точность измерения
координаты зависит от точности измерения импульса, и наоборот;
невозможно обе эти величины измерить с какой угодно точностью; чем
больше точность измерения координаты (х), тем неопределеннее импульс
(р), и, наоборот. Произведение неопределенности в измерении
координаты и неопределенности в измерении импульса должно быть
“больше или равно” постоянной Планка (h): ∆х х ∆p ≥ Һ. Аналогичное
соотношение имеет место и для неопределенности энергии и времени.
Границы, определяемые этим принципом, не могут быть преодолены
никаким совершенствованием средств измерения и измерительных
процедур: дело не в приборах, а в природе вещей.
Принцип неопределенности показал, что предсказания квантовой
механики носят лишь вероятностный характер и не обеспечивают
точных предсказаний, к каким мы привыкли в классической механике.
Именно неопределенность предсказаний квантовой механики вызывала и
вызывает споры среди ученых. Некоторые из них, например, А.Эйнштейн,
были убеждены, что по мере совершенствования науки и измерительной
техники законы квантовой механики станут точными и однозначными, и
что никакого предела для точности измерений и предсказаний в
квантовой физике не существует. Эйнштейн сказал по поводу
возможной интерпретации квантовой механики, что «Бог не играет в
кости».
Принцип соответствия.
Принцип соответствия в методологии науки утверждает, что любая
новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной
теории, находится с ней не в полном противоречии, а дает те же
50
следствия в частном случае. Например, закон Бойля – Мариотта является
частным случаем уравнения состояния идеального газа.
В основе принципа соответствия лежит идея, высказанная М.Планком
в 1906 году, о том, что если постоянная Планка стремится к нулю, то
квантовые результаты приближаются к классическим, или, иначе говоря,
классическую теорию можно охарактеризовать как теорию, в которой
квант действия бесконечно мал.
Н.Бор, формулируя принцип соответствия, воспользовался именно
этой идеей Планка. Если разности энергий стационарных состояний
электронов в атоме становятся сколь угодно малы, т. е. энергии
распределены почти непрерывно, то квантовая теория переходит в
классическую. В работе «О квантовой теории линейчатых спектров» Бор
назвал принцип соответствия «формальной аналогией между
квантовой теорией и классической теорией».
П.Дирак считал, что соответствие между квантовой и классической
теориями состоит не столько в предельном стремлении квантования к
нулю, сколько в том, что математические операции двух теорий
подчиняются во многих случаях тем же законам.
В специальной теории относительности в случае малых
скоростей получаются те же следствия, что и в классической механике.
Преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, время течет
одинаково во всех системах отсчета, кинетическая энергия становится
равной, как и в классической механике, половине произведения массы на
квадрат скорости, и т. д.
Общая теория относительности дает те же результаты, что и
классическая теория тяготения Ньютона, при малых скоростях и при
малых значениях гравитационного потенциала.
Детерминизм и индетерминизм.
Детерминизм (от латинского – определяю) – это учение об
объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений
материального мира. Ядром детерминизма является положение о
существовании причинности, т. е. такой связи явлений, в которой одно
явление (причина) при определенных условиях с необходимостью
порождает другое явление (следствие).
Индетерминизм (отрицание детерминизма) – философское учение
отрицающее объективность причинной связи.
В известном высказывании Лапласа «Дайте мне начальные данные
частиц всего мира, и я предскажу вам будущее всего мира» нашла свое
выражение крайняя форма идеи определенности и предопределенности
всего существующего, названная «лапласовским детерминизмом».
Человечество издавна верило в провидение и предопределение,
позднее - в «железную» причинную связь природы. Однако не стоит
игнорировать и «его Величество» случай, благодаря которому имеют место
51
вещи неожиданные и маловероятные. В атомной физике случайность
проявляется особенно ярко. Квантовая механика заставляет свыкнуться с
мыслью, что мир не устроен прямолинейным образом и не так прост, как
нам хотелось бы.
Детерминизм особенно наглядно проявляется в классической
механике. Так, последняя учит, что по начальным данным можно
определить полностью состояние механической системы в любом
сколь угодно далеком будущем. На самом же деле это лишь кажущаяся
простота. Начальные данные даже в классической механике не могут
быть определены с абсолютной точностью. Истинное значение
начальных данных известно нам лишь с некоторой степенью
вероятности; об этом свидетельствует принцип неопределенности
Гейзенберга. В процессе движения на механическую систему действуют
случайные силы, которые мы не в состоянии предвидеть. Даже если эти
силы будут малы, их эффект может оказаться очень значительным для
большого промежутка времени. У нас нет также гарантии того, что за
время, в течение которого мы намерены предсказывать будущее системы,
эта система будет оставаться изолированной. Эти обстоятельства
обычно и игнорируются в классической механике. Влияние случайности не
стоит игнорировать, так как с течением времени неопределенность
начальных условий возрастает и предсказание становится совершенно
бессодержательным.
Как показывает опыт, в системах, где действуют случайные факторы,
при многократном повторении наблюдения можно обнаружить
определенные закономерности, обычно называемые статистическими
(вероятностными). В случае если система имеет много случайных
воздействий, то сама детерминистическая (динамическая) закономерность
становится слугой случая; а сам случай порождает новый тип
закономерности
–
статистическую.
Невозможно
вывести
статистическую закономерность из закономерности динамической. В
системах, где случай начинает играть существенную роль, приходится
делать предположения статистического (вероятностного) характера.
Случай способен создать закономерность.
Квантовая механика по своему существу является теорией,
основанной на статистических закономерностях. Так, судьба
отдельной микрочастицы, ее история может быть прослежена только в
весьма общих чертах. Частицу можно только с определенной степенью
вероятности локализовать в пространстве, и локализация будет ухудшаться
с течением времени тем скорее, чем точнее была первоначальная
локализация – таково прямое следствие соотношения неопределенностей.
Мы можем говорить о применении статистической закономерности
только к группе частиц (ансамблю), а не к одной отдельно взятой
частице. Это, однако, не снижает ценность квантовой механики. Не
52
следует считать статистический характер законов квантовой механики ее
«неполноценностью».
Что же касается детерминизма и индетерминизма, то современная
наука органически сочетает необходимость и случайность. Поэтому
мир и события в нем не оказываются ни предопределенными однозначно,
ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический
детерминизм лапласовского толка чрезмерно подчеркивал роль
необходимости за счет отрицания случайности в природе и потому давал
искаженное представление о мире. Ряд же современных ученых,
распространив принцип неопределенности в квантовой механики на другие
области, провозгласил господство случайности, отрицая необходимость.
Однако наиболее адекватной позицией было бы считать необходимость и
случайность взаимосвязанными и дополняющими друг друга аспектами
действительности.
Лекция 10. Ядерные процессы.
Известно, что связь нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре
обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других
фундаментальных взаимодействий.
Измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс
составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы
ядра называют дефектом массы. Поскольку всякому изменению массы
соответствует изменение энергии, то при образовании ядра выделяется
энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения
ядра на составные части необходимо затратить такое же количество
энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую
необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны,
называется энергией связи ядра.
Обычно рассматривают удельную (среднюю) энергию связи,
приходящуюся на один нуклон. Для легких ядер эта энергия достаточно
большая (максимальное ее значение 8,7 МэВ), а для тяжелых она меньше.
МэВ – мегаэлектрон вольт (миллион элетронвольт) – это единица
измерения энергии в атомной и квантовой физике. Электронвольт - это
энергия, необходимая для переноса электрона в электростатическом поле
между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.
Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым
элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре
увеличивается энергия их отталкивания. Поэтому связь между нуклонами
ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.
И очень тяжелые, и очень легкие ядра менее устойчивы. Это означает,
что энергетически выгодны два ядерных процесса:
53
1. Деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);
2. Слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).
Оба эти процесса практически реализованы в виде цепной реакции
деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением
огромного количества энергии.
Радиоактивность.
В 1896 году французский физик А.А.Беккерель (1852-1908) при
исследовании светимости солей урана обнаружил самопроизвольное
излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку,
ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки.
Позднее супруги Кюри: Пьер Кюри (1859-1906) и Мария
Склодовская-Кюри (1867-1934) наблюдали подобное излучение и для
других веществ – тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо
радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания –
радиоактивностью. Позднее был сделан вывод, что радиоактивные
свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.
В современном представлении радиоактивность – это способность
некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с
испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных
частиц.
Различают естественную радиоактивность (для существующих в
природе неустойчивых изотопов) и искусственную радиоактивность (для
изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-,
бета- и гамма-излучение.
Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями,
обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей
способностью (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 0,05
мм). Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частиц
положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.
Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным
полями;
характеризуется
сравнительно
слабой
ионизирующей
способностью и относительно высокой проникающей способностью
(поглощается слоем алюминия толщиной около 2 мм). Бета-излучение – это
поток быстрых электронов.
Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным
полем, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и
очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца
толщиной
5
см).
Гамма-излучение
–
это
коротковолновое
электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не
более 10-10м).
Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее
самопроизвольно называется радиоактивным распадом. Скорость
54
радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада:
число нераспавшихся ядер (N) убывает со временем.
N(t) = N0e-λt.
N0 - начальное число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0.
N- число нераспавшихся ядер в момент времени t;
λ – постоянная радиоактивного распада. Эта постоянная
характеризует вероятность распада отдельного ядра в единицу времени.
Обратная ей величина ( ) или τ характеризует среднее время
жизни ядра; e — математическая константа, основание натурального
логарифма. Это действительное десятичное число, бесконечная дробь.
e = 2,718 281 828 459 045 235 360 287 471 352 662 497 757…
Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в
среднем уменьшается вдвое, называют периодом полураспада.
Цепная реакция деления ядер.
К началу 1940-х годов многими учеными (Э.Ферми, О.Ган, О.Фриш,
Г.Н.Флеров и др.) было доказано, что при облучении урана нейтронами
образуются ядра атомов лантана и бария - химических элементов из
середины периодической таблицы Менделеева. Этот результат положил
начало новому виду реакций – делению ядер, при котором тяжелое ядро
под действием нейтронов или других частиц делится на несколько
легких ядер (осколков), а чаще всего на два ядра, близких по массе.
Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных
нейтронов, называемых нейтронами деления.
Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого
количества энергии.
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут
вызвать последующие новые акты деления – таким образом возникает
цепная реакция деления. Она характеризуется коэффициентом
размножения нейтронов (k), равным отношению числа нейтронов в
данном поколении к их числу в предыдущим поколении.
В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные
нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к
уменьшению коэффициента размножения.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося
вещества, размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры
активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются
критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в
активной зоне с критическими размерами – критической массой
При k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро
возрастает и ядерный процесс становится взрывным.
55
k = 1 соответствует самоподдерживающейся реакции, при которой
число нейтронов со временем не изменяется.
При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.
Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления
ядер. Так, при взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция.
При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней
радиоактивное вещество делят на две части с некритическими массами.
Для взрыва атомной бомбы обе части сближают, общая масса делящегося
вещества становится критической, в результате чего возникает
неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным
выделением огромного количества энергии.
Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах
атомных электростанций.
В природе есть изотопы, которые могут служить ядерным топливом
(например, уран–235) или сырьем для его получения (например, уран –238,
торий – 232).
Термоядерный синтез.
При слиянии легких ядер – синтезе атомных ядер – выделяется
колоссальная энергия. Энергия, приходящаяся на один нуклон, в реакции
синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер.
Однако, синтез легких ядер возможен только при большой кинетической
энергии. Очевидно, что энергетически выгоден синтез легких ядер с
небольшим электрическим зарядом. Такими ядрами являются изотопы
водорода. Однако, для осуществления реакции синтеза даже для изотопов
водорода необходима чрезвычайно высокая температура – не менее 107 К,
поэтому процесс слияния ядер называется реакцией термоядерного
синтеза.
Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые
в СССР в 1953 году, а затем через полгода в США при взрыве водородной
(термоядерной) бомбы. Взрывчатое вещество водородной бомбы
представляет собой смесь дейтерия и трития, а детонатором в ней служит
обычная атомная бомба, при взрыве которой достигается высокая
температура, необходимая для термоядерного синтеза.
Трудность практической реализации управляемого термоядерного
синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой
температуре, при которой любое синтезируемое вещество будет
находиться в плазменном состоянии и техническая проблема состоит в
том, как удержать это вещество в ограниченном объеме. Один из способов
решения данной проблемы – удержание горячей плазмы в ограниченном
объеме сильными магнитными полями. Этот способ впервые предложил
наш соотечественник – А.Д.Сахаров (1921-1989).
Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике
и химии полностью или частично ионизированный газ, который может
56
быть как квазинейтральным, так и не квазинейтральным. Плазма иногда
называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного)
агрегатным состоянием вещества.
Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек
значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один
электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие
свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд
плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных
электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что
обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными
состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим
полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У.Круксом в 1879
году и названо «плазмой» И.Ленгмюром в 1928 году.
Первый в мире термоядерный реактор – «токамак» был построен в
1954 году в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова в Москве.
Ядерные реакции осуществляются в звездах.
Время излучения звезд за счет гравитационного сжатия не превышает
9
5·10 лет для всех звезд в наблюдаемом интервале масс. Процесс
гравитационного сжатия звезды с повышением температуры будет
продолжаться до тех пор, пока температура в центре звезды не поднимется
до 107 K. Гравитационное сжатие будет остановлено начавшейся ядерной
реакцией горения водорода. При сгорании водорода температура ядра
звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 107 K.
Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором
энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери
энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда
уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и
стремления горячих газов к расширению. Излучение Солнца образуется за
счет синтеза ядер гелия путем слияния ядер водорода. Если считать, что
Солнце состоит только из водорода и в результате ядерной реакции
происходит полное сгорание водорода и превращение его в гелий, то при
современном темпе сгорания водорода за счет ядерного источника Солнце
способно излучать порядка 100 млрд. лет.
ЛЕКЦИЯ 11. Понятие системы. Системный подход и его виды.
Все окружающие нас предметы и явления можно рассматривать как
системы. Под системным исследованием предметов понимают такой
метод, при котором предмет рассматривается как совокупность элементов
определенного целостного образования.
Систему определяет взаимосвязь и взаимодействие ее элементов в
рамках целого.
57
Системы следует отличать от того, что системами не является, то есть
от агрегатов. Так, например, молекулу, атом, живой организм, социум и т.
п. мы называем системами, а кучу камней, песка или металлолома – нет.
Почему? В случае системы мы понимаем, что она не сводится только к
совокупности элементов ее составляющих, а имеет системные
(интегративные) свойства. В случае же агрегата мы видим, что он
сводится к сумме свойств и частей его составляющих, то есть свойства
агрегата аддитивны. Например, масса кучи камней складывается из масс
отдельных камней ее составляющих, а величина кучи зависит от размеров
входящих в нее камней. Согласно У.Эшби, чтобы отличить систему от
агрегата, нужно разделить агрегат (систему) на части (например, раскидать
кучу песка) и посмотреть появятся ли у частей новые свойства или нет.
Если ничего нового не появилось, значит, мы имели дело с агрегатом.
Для системы характерно:
- целостное рассмотрение;
- установление взаимодействия частей и элементов системы;
- несводимость свойств системы как целого к свойствам ее
частей;
- иерархичность, то есть соподчинение целого и частей по типу
«матрешки».
Изучение систем началось давно. Так в IV в. до н. э. системы
рассматривали корифеи философской и научной мысли Древней Греции –
Платон и Аристотель.
Платон (428-348 гг. до н. э.) считал, что система всегда есть нечто
большее, чем сумма элементов, ее составляющих. Если у нас имеется
повозка, то очевидно, что она обладает такими свойствами (быстро
перемещаться), которыми не будет обладать ни один конкретно взятый ее
элемент. Более того, если мы знаем 100 деревянных элементов, из которых
состоит повозка, но не знаем, что она из себя должна представлять (как она
выглядит), мы никогда ее правильно не соберем. Платон полагал, что
«целое определяет части», а не наоборот.
Аристотель (384-322 гг. до н. э.) изучал в качестве систем живые
организмы. Согласно ему, организм не есть простая совокупность частей, а
есть жизненная сила (энтелехия), которая есть свойство целого и,
благодаря ей, каждая часть обладает жизнью. Так, отдельный орган в
организме живой, а взятый вне организма – мертвый. Аристотель задавался
вопросом, что заставляет желудь вырасти в дуб, что толкает его к этой
цели, не совокупность же частей, из которых он состоит?
Эта концепция позднее получила название витализма, от латинского
термина vita, что означает «жизнь».
Во второй половине XX века немецкий биолог Ганс Дриш (18671941) продолжал развивать по сути идеи Аристотеля, но направление это
уже носит иное название - неовитализм. Дриш экспериментировал с
58
личинками морских ежей, разделял их на части и показал, что из каждой
части вырастает новый еж. Так, Дриш дошел в своем делении личинки до
34 частей и показал, что «жизненная сила» (свойство организма как целого)
автономна, принципиально необъяснима и не является результатом
взаимодействия частей, а, наоборот, сама принизывает все мельчайшие
части.
Все вышеперечисленные концепции можно также назвать холизмом
(от английского слова whole - целый, весь), так как они исходят из
превосходства целостности (интегративного свойства системы) над
частями. Но холисты не могут рационально, логически объяснить, откуда
берется свойство целостности.
Существует также альтернативная холизму концепция – механицизм,
когда свойство целого полностью сводятся к сумме составляющих его
частей. К механицистам относится основная масса ученых (И.Ньютон,
Р.Декарт, Г.Лейбниц и многие другие). Например, Р.Декарт считал живые
организмы механизмами, то есть сводил действия всех органов к законам
механики. Очевидно, что и в механицизме есть свои, трудно разрешимые
проблемы. Механицизм, как и холизм, представляет собой односторонний
подход к пониманию систем.
Дать однозначное определение системы, которое бы охватывало все
стороны, крайне сложно. Однако были попытки дать логическое
определение системы через понятие множества. Под множеством
понимали совокупность объектов с некоторым общим свойством.
Согласно одному из определений (А.Д.Холл, Р.Е.Фейджин и др.),
система – это множество объектов вместе с отношениями между ними и
их свойствами. Однако, под такой “системой” можно понимать и агрегат
(кучу камней), так как в этом определении не отмечаются целостные,
системные свойства.
Строение системы.
В строении системы выделяют подсистемы и элементы.
Подсистемы – это крупные части системы, обладающие
определенной автономностью, но в то же время подчиненные и
управляемые системой в целом.
Элементы – наименьшие части системы.
Например, подсистемами человеческого организма являются:
эндокринная, нервная, пищеварительная, гормональная, опорнодвигательная и т. п. Элементами будут являться: желудок, печень, почки,
гипофиз, надпочечники, кости, мышцы и т. п.
Очевидно, что различие между подсистемами и элементами
относительно.
Мы
можем
рассматривать
в
свою
очередь
вышеперечисленные органы как подсистемы, тогда элементами будут
являться более мелкие части организма, например, клетки.
Структура системы.
59
Структурой системы называют совокупность взаимосвязей и
взаимодействий между элементами, благодаря которым возникают
новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у
отдельных ее компонентов. Эти свойства называют эмерджентными.
Так, например, Н2О (вода) образована из двух атомов водорода (Н2) и
одного атома кислорода (О). Элементы эти связаны между собой силами
электромагнитного
взаимодействия.
Н 2О
обладает
свойствами
растворителя, ее агрегатное состояние – жидкость, она - прозрачная,
безвкусная и т.п. По отдельности Н2 и О2 – газы, они не обладают
свойствами растворителя, не являются жидкостями и т. п.
Классификация систем.
Классификацию систем можно производить по различным
основаниям:
1. Материальные и идеальные системы.
Материальные системы – это системы неорганического,
органического и социального характера (механические, физические,
биологические, геологические, социальные и др.).
Идеальные системы представляют собой отражение субъектом
материальных систем, существующих в природе и обществе. Наиболее
показательным примером идеальной системы можно считать научную
гипотезу, теорию или концепцию.
2. Статические и динамические системы.
Статические системы – это неподвижные, не изменяющиеся. В
природе таких систем не существует, это своего рода абстракции.
Динамические – это системы, находящиеся в движении и изменении.
3. Среди динамических систем выделяют детерминистические и
вероятностные (стохастические).
В детерминистических системах предсказание имеет однозначный,
вполне достоверный характер. Детерминистические системы используются
в точных науках, например, в механике, астрономии и т. п.
Вероятностно-статистические системы имеют дело с массовыми
или повторяющимися случайными событиями. Поэтому предсказания в
этих системах носят вероятностный характер. Это квантово-механические
системы, термодинамические системы, социальные и др.
4. Целенаправленные и нецеленаправленные системы.
Сложноорганизованные социальные системы рассматриваются как
целенаправленные, причем в разных подсистемах, на разных уровнях
организации эти цели могут быть различными и даже вступать в конфликт
друг с другом. Природные же системы цели не имеют.
5. Открытые и закрытые системы.
Открытые системы – это системы, обменивающиеся с окружающей
средой веществом, энергией и информацией. Практически все
существующие системы являются открытыми. Закрытые (изолированные)
60
системы не обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и
информацией. Закрытая система – это своего рода абстракция, в природе их
не существует.
6. Простые и сложные системы.
Простые или малые системы – это системы, состоящие из
небольшого количества элементов (до 105 элементов). Это, как правило,
механические системы типа простых механических станков, механических
часов, паровых машин и т. п.
Сложные системы – это системы, состоящие из большого количества
элементов. Они подразделяются на большие саморегулирующиеся (от 106
до 1010 элементов) и большие самоорганизующиеся (от 1010 до 1014
элементов).
В больших саморегулирующихся системах происходит массовое
стохастическое взаимодействие элементов. Целостность системы
предполагает наличие в ней особого блока управления: прямые и обратные
связи между элементами и подсистемами. В технике это системы
управления космическими кораблями, заводы-автоматы. В природе –
организмы, популяции, биоценозы, биогеоценозы, социальные объекты.
Самоорганизующиеся системы характеризуются развитием, в ходе
которого происходит переход от одного вида саморегуляции к другому.
Этим системам присуща способность порождать в процессе развития новые
уровни. Причем, каждый новый уровень оказывает обратное воздействие
на ранее сложившиеся уровни, перестраивая их, в результате чего система
обретает новую целостность.
Системный подход и его виды.
Системный подход возник как метод исследования во время Второй
мировой войны (1939-1945), когда военные столкнулись с проблемами
комплексного характера, которые требовали учета и взаимодействия
многих факторов в рамках целого. Например, снабжение армии,
планирование и проведение военных операций, принятие решений и т. п.
На основе системного исследования возникает наука об управлении –
кибернетика. Сам термин «кибернетик» в переводе с древнегреческого
означает кормчий, тот, кто управляет судном. У истоков кибернетики
стояли такие известные ученые как Н.Винер (1894-1964), У.Эшби (19031972) и др.
Управление есть процесс накопления, передачи и преобразования
информации.
Информация – устранение неопределенности. Информация может
также пониматься как случайно запомненный выбор.
Управление осуществляется посредством последовательных точных
предписаний – алгоритмов. Чем больше полезной информации (меньше
неопределенности), тем организованнее система и ей проще управлять.
61
Появление компьютеров стало необходимой технической базой
обработки и получения информации.
Процесс управления основан на механизме обратной связи. Это
понятие разрабатывается в 40-50 годах ХХ века Н.Винером. В работе
«Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» Винер
следующим образом определяет обратную связь: «Когда мы хотим, чтобы
некоторое устройство выполняло заданное движение, разница между
заданным и фактическим движением используется как новый входной
сигнал, заставляющий регулируемую часть устройства, двигаться так,
чтобы фактическое движение, все более приближалось к заданному».
Примером системы с обратной связью может служить летящий
самолет противника и
зенитная установка с встроенным в нее
кибернетическим устройством, которая должна его сбить. Или система,
состоящая из упавшего на пол предмета и слаженного действия нашего
организма по его оптимальному поднятию и т. д.
Обратная связь бывает «положительной» и «отрицательной»
(гомеостатической)
“Положительная” обратная связь.
Представим себе, что существует ряд элементов системы, каждый из
которых усиливает действие другого таким образом, что элемент А
усиливает действие элемента В, а В, в свою очередь, усиливает действие
элемента С и так далее и, наконец, элемент Z усиливает действие А. Так
усиление действия одного из элементов неизбежно вызовет лавинообразное
нарастание функций всей системы в целом, и обратно, малейшее угасание
действия одного из элементов вызывает общее угасание функций системы.
Циклы с “положительной” обратной связью редко встречаются в природе
(например, лавина в горах, лесной пожар, ядерный распад и т. п.).
“Отрицательная” обратная связь.
Неустойчивую систему с “положительной” обратной связью можно
превратить в устойчивую, введя в циклический процесс А—В—С…Z звено
(назовем его α), воздействие которого на следующее звено цепи тем слабее,
чем сильнее влияет на него предыдущее. Таким образом, возникает
регулируемый цикл – гомеостазис (сохранение целостности). Например,
регулирование сахара в крови человека, функционирование технических
систем типа пылесоса или холодильника и т. п.
Математическое моделирование.
Одним из распространенных видов системного подхода является
математическое моделирование. Для его применения необходимо
рассмотреть ряд однотипных систем и выявить в них общие, качественно
однородные свойства, которые необходимо выразить в виде чисел.
Зависимость между свойствами может быть выражена в виде функций и
уравнений. На этой основе создается математическая (теоретическая)
модель изучаемых систем. С помощью модели можно предвидеть
62
дальнейшее поведение системы, сделать долгосрочный прогноз. В
дальнейшем сделанный прогноз по возможности проверяется
наблюдениями или экспериментами. Например, сценарий “ядерной зимы”
К.Сагана, предсказания Римского клуба (Медоуза) развития человечества
до 2000 г. и т. д.
Системотехника.
Другим вариантом системного исследования можно считать
системотехнику. В рамках системотехники конструируются новейшие,
сложнейшие технические системы, в которых учитываются не только
работа механизмов, но и действие человека-оператора, управляющего
механизмами. Системотехника – это внедрение человеко-машинных
систем, компьютеров, работающих в системе диалога с исследователем.
Системный анализ.
В рамках системного анализа рассматриваются комплексные,
многоуровневые системы, состоящие из элементов разной природы, но
взаимосвязанные друг с другом в рамках единого целого.
Например, фабрика, где связаны воедино и подчинены единой цели
элементы разной природы: производство товара, его сбыт, снабжение
сырьем, конструкторские разработки, ремонтные службы, социальная
сфера и т. д. Другой пример – учебное заведение, где соединяются вместе
такие элементы, как процесс обучения, научные разработки,
административно-хозяйственные службы, социально-культурная сфера и т.
д.
Были разработаны проекты построения общей теории систем,
принципы и утверждения которой были бы универсальными. Один из
инициаторов создания такой теории систем - австрийский биолог Людвиг
фон Берталанфи (1901-1972). Он писал, что «мы можем задаться
вопросом о принципах, применимых к системам вообще, независимо от их
физической, биологической или социальной природы. Если мы поставим
такую задачу и подходящим образом определим понятие системы, то
обнаружим, что существуют модели, принципы и законы, которые
применимы к обобщенным системам, независимо от их частного вида,
элементов или сил, их составляющих».
Сегодня выделяют ряд общих принципов, присущих любым системам.
К ним относятся:
1. Принцип целостности.
2. Принцип несводимости целого к частям.
3. Новое в системе рассматривается как эффект целостности.
Изменяются связи между элементами – появляется новая целостность.
4. Основным законом системы является закон интеграции и
дифференциации систем.
Одним из непосредственных предшественником Берталанфи был А. А.
Богданов (1873-1928), с его оригинальным проектом «Тектологии», не
63
утратившим теоретической ценности и значимости и в настоящее время.
Предпринятая А. А. Богдановым попытка найти и обобщить
общеорганизационные законы, проявления которых прослеживаются на
неорганическом, органическом, психическом, социальном, культурном и
пр. уровнях, привела его к весьма значительным методологическим
обобщениям, открывшим пути к революционным открытиям в области
философии, медицины, экономики и социологии.
Системный подход оказал большое влияние на развитие философского
знания. Так, некоторые сторонники системного подхода на Западе стали
рассматривать его в качестве новой философии, где упор делается на
синтез, на целое, а не на редукцию и части. В связи с этим новое видение
получила старая философская проблема соотношения целого и частей.
Системный подход избегает крайностей как одной, так и другой точек
зрения. Он исходит из того, что система как целое возникает не каким-то
мистическим, необъяснимым путем, а как результат конкретного
взаимодействия вполне определенных реальных частей. Именно вследствие
этого взаимодействия и образуются новые интегральные свойства системы.
Вновь же возникшая целостность в свою очередь начинает оказывать
воздействие на части, подчиняя их функционирование задачам и целям
единой целостной системы.
Лекция 12. Основные положения термодинамики. Возникновение
синергетики
Если
классическая
механика
и
астрономия
описывали
детерминированные обратимые процессы, то биология, геология,
антропология, социальные науки описывали процессы необратимые,
изменяющиеся во времени, и имеющие свою историю. Хотя в качестве
переменной время входит во все уравнения классической и квантовой
механики, оно, тем не менее, не отражает внутренние изменения, которые
происходят в системе.
Физики, изучавшие тепловые процессы в рамках физической науки
термодинамики, также столкнулись с необратимыми процессами.
Классическая термодинамика возникла в середине XIX века. Ее
создавали такие крупнейшие физики, как С. Карно, Д. Джоуль, Д.Томсон,
Р. Клаузиус, Л. Больцман и др.
Классическая термодинамика – это наука о передаче,
распространении, превращении теплоты и других форм энергии.
Самым очевидным являлся факт, что распространение тепла
представляет собой необратимый процесс. К примеру, тепло, возникшее
в результате трения или какой-либо механической работы, невозможно
снова превратить в энергию и использовать для производства работы.
64
Первый закон термодинамики - Р.Клаузиус (1822-1888): Если к
системе подводится тепло (Q) и в ней производится работа (А), то
внутренняя энергия всей системы возрастет до величины (U).
U= Q+A
Внутренняя энергия системы (U) показывает, что тепло полученное
системой не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии.
Величину внутренней энергии можно увеличить двумя эквивалентными
способами: произведя над телом механическую работу (А) или сообщая
телу количество теплоты (Q).
∆U = А + Q
Работа (А) может быть определена как мера изменения энергии
системы. Работа может быть произведена за счет приложения силы к телу
или за счет уменьшения потенциальной энергии тела и перехода ее в
кинетическую энергию.
Теплота (Q) есть проявление кинетического движения молекул.
Поэтому понятие теплоты и работы рассматривают как эквивалентные и
выражают в джоулях (дж). Единица измерения теплоты, дожившая с тех
времен до наших дней – “калория”.
В 1827 году был сделан вывод о том, что теплота и механическая
работа обратимы одна в другую.
Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и
превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не
исчезает бесследно; количество энергии в природе неизменно, она
только переходит из одной формы в другую.
Первая формулировка второго закона термодинамики принадлежит
Жозефу Фурье: теплота переносится от тел с большей температурой
к телам с меньшей температурой. Обратный процесс невозможен.
Это приводит к выравниванию температуры во всех точках
пространства изолированной системы.
Было показано, что явление теплопроводности представляет собой
необратимый процесс.
Вторую формулировку второго закона термодинамики предложил
Р.Клаузиус: энтропия замкнутой системы (то есть системы, которая не
обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни
информацией) при протекании в ней необратимых процессов постоянно
возрастает.
Понятие энтропии было введено Р.Клаузиусом. В переводе с
греческого энтропия означает “поворот”, “превращение”. Энтропия
означает хаос, беспорядок, дезорганизацию в системе. Энтропия также
означает постепенное «забвение» частицами первоначальной асимметрии и
переход к состоянию симметрии и энергетического выравнивания. Чем
более упорядочена система, тем меньше энтропия.
65
Энтропия в замкнутой системе при протекании обратимых процессов
(например, колебательных) постоянна.
Л.Больцман
(1844-1906)
связал
понятие
энтропии
с
вероятностью состояния системы. Энтропия (S) есть логарифм
вероятности состояния системы. М.Планк вывел следующую формулу
определения энтропии:
S = k ln W
где S – энтропия, k – коэффициент пропорциональности или
постоянная Больцмана (k = 1,380662 x 10-23 Дж/К),k =
(R- газовая
постоянная, показывающая работу 1 моля вещества, а Na – число Авагадро,
отражающее количество молекул в одном моле вещества), W –
статистический вес системы
или термодинамическая вероятность
макроскопического состояния системы.
Чем больше вероятность состояния системы, тем выше энтропия.
Например, в сосуде, заполненном газом, его молекулы, занимавшие
первоначально часть объема, стремятся равномерно занять весь объем
сосуда, то есть перейти в состояние набольшей вероятности, или - к
полному беспорядку, симметрии, когда молекулы могут занимать любые
точки пространства.
Энтропия в замкнутой системе при протекании необратимых
процессов (например, тепловых) постоянно возрастает, пока не достигнет
точки термодинамического равновесия, то есть такой точки, в которой
всякая работа становится невозможной.
Об изменении закрытых систем в классической термодинамике мы
судим по увеличению их энтропии. Последняя, таким образом, выступает в
качестве своеобразной стрелы времени. Чем выше энтропия системы, тем
больший промежуток времени прошла система в своей эволюции.
Третий закон термодинамики.
Третий закон термодинамики был сформулирован В.Нернстом (18641941) в 1906 году. Он больше известен как теорема Нернста, согласно
которой никакие изменения состояния термодинамической системы
при стремлении ее температуры к абсолютному нулю (00К = - 2730С) не
приводят к изменению энтропии.
Позднее М.Планк дополнил теорему Нернста своей гипотезой,
согласно которой энтропия всех тел при температуре, равной
абсолютному нулю, равна нулю.
Тепловая смерть вселенной.
Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в
целом предпринял Р.Клаузиус, выдвинувший следующие постулаты:
- энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это
замкнутая система;
- энтропия Вселенной постоянно возрастает.
66
Если мы примем второй постулат, то надо признать, что все процессы
во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического
равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает
наибольшую
степень
хаоса,
дезорганизации,
энергетическое
уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая
смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или
образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды,
образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция
вселенной).
С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые,
предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной
должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют
тепловой смерти Вселенной.
Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что
для небольшого числа частиц второй закон термодинамики не должен
применяться, ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия
системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как
небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области
допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего
равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей
части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются
относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы,
которые в течение относительно небольших промежутков времени
значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет
место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение
симметрии.
В середине ХХ века создана новая, неравновесная термодинамика, или
термодинамика открытых систем, или синергетика, где место
закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие
открытой системы. Основателями этой новой науки были И. Р. Пригожин
(1917-2004) и Г. Хакен (р. 1927).
Открытая система – это система, которая обменивается с
окружающей средой веществом, энергией или информацией.
Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в
отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а
выводится в окружающую среду. Использованная, отработанная энергия
(энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре)
рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая
энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в
другою), способная производить полезную работу.
Возникающие для этих целей материальные структуры, способные
рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются
диссипативными. В результате такого взаимодействия система извлекает
67
порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту
среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации
неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между
элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается.
Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к
кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов.
Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых
системах.
В качестве примера такой системы можно взять работу лазера, с
помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические
колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению
определенной порции энергии извне производят согласованные движения.
Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие
чего мощность лазерного излучения многократно увеличивается,
несоизмеримо с количеством полученной энергии.
Изучая процессы, происходящие в лазере, Г.Хакен назвал новое
направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает
“совместное действие”, “взаимодействие”.
Еще одним известным примером самоорганизации могут служить
химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих
реакциях связана с поступлением в систему извне веществ,
обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением
в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая
самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся
концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора.
Рассмотренную им химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор»
в честь города, Пригожин жил и работал. Вот как писал об этом сам
Пригожин: «Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов:
“красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было
бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше
“красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул
и т. д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с
беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы
увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь
синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на
синий и т. д. Смена окраски происходит через правильные интервалы
времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы
должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система
должна вести себя как единое целое»2.
Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить
ячейки Бенара. Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к
2
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203
68
примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем
перепаде температур. Как только температурный режим меняется, ячейки
распадаются.
Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура,
необходимо задать соответствующие параметры среды.
Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают
граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система
(это может быть температурный режим, соответствующая концентрация
веществ, частота вращения и т. п.).
Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение
управляющих параметров (перестройка системы).
Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой
системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых
может начаться процесс самоорганизации.
Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в
различных системах являются следующие:
1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система, в
конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка,
хаоса, дезорганизации в соответствии со 2-м законом термодинамики.
2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от
точки термодинамического равновесия. Если система уже находится
вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце
концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Точка
термодинамического равновесия является сильным аттрактором.
3.
Фундаментальным
принципом
самоорганизации
служит
«возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации
или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения,
вначале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых
системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со
временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к
“расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии
неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к
начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какаято флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и
осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее
перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии
нестабильности, какой выбор будет ею сделан, в принципе невозможно.
Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через
флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится
ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных
факторов.
4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную
обратную связь. Согласно принципу положительной обратной связи,
69
изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а усиливаются,
накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации,
расшатыванию старой структуры и замене ее на новую.
5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением
симметрии.
Симметрия
означает
устойчивость,
неизменность.
Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие,
эволюцию.
6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах,
обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой
элементов (1010-1014 элементов), то есть в системах, имеющих некоторые
критические параметры. Для каждой конкретной самоорганизующейся
системы эти критические параметры свои.
Лекция 13. Основные понятия синергетики.
управления синергетическими системами
Возможность
Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству
издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе
своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться
внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.
Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия
последней капли народного недовольства, последнего случайного события,
переполнившего чашу терпения. Это были типичные малые причины
больших событий.
Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора,
которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты
перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в
механизмы, где в критический момент, момент перелома, решающий выбор
определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы,
социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на
жизненном пути каждого человека... Можно ли подвести единую научную
основу под все эти, казалось бы, совершенно различные, факты? Последние
30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели,
которая получила название синергетики.
Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности,
целостного подхода к миру, нелинейности (то есть многовариантности),
необратимости, глубинной взаимосвязи хаоса и порядка. Синергетика
дает нам образ сложноорганизованного мира, который является не
ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно
возникающим. Этот мир развивается по нелинейным законам, он полон
неожиданных, непредсказуемых поворотов, связанных с выбором
дальнейшего пути развития.
70
Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации.
Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы,
обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не
зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому
миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают
междисциплинарным направлением научного исследования.
Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык,
свою систему понятий. Это такие понятия, как “аттрактор”, “бифуркация”,
“фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти
должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более,
что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.
Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и
«порядка».
Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми
существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в
пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на
параде.
Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых
повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.
Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно
раскрыть как направленность поведения системы на устойчивое конечное
состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно
устойчивое состояние системы, которое как бы «притягивает» к себе
все многообразие «траекторий» системы, определяемых разными
начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она
неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию.
Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно
ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.
Аттракторы подразделяются на простые и странные.
Простой аттрактор - это предельное состояние порядка. Система
выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до
уровня, определяемого простым аттрактором.
Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации
системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности,
а до уровня, определяемого странным аттрактором.
Понятие
бифуркация
происходит
от
английского
слова,
обозначающего вилку с двумя зубцами. Говорят обычно не о самой
бифуркации, а о точке бифуркации. Синергетический смысл точки
бифуркации таков – это точка ветвления возможных путей эволюции
системы. Прохождение через точки ветвления, сделанный выбор
закрывают иные пути и делают тем самым эволюционный процесс
необратимым.
71
Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе
бифуркации.
Очень важной для синергетики является нелинейность. Под
нелинейностью понимают:
1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что
у системы существует не один путь развития, а несколько).
2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в
ней результата. По пословице: «мышь родит гору».
То, что в синергетике называют “бифуркацией”, имеет глубокие
аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у
придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его
дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным
представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических
видов, представленная в виде эволюционного древа, наглядно
иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.
Понятие «фрактальный объект» или «фрактал».
Фрактальными объектами называют такие объекты, которые
обладают свойством самоподобия. Это означает, что малый фрагмент
структуры такого объекта подобен другому более крупному фрагменту
или даже всей структуре в целом.
К фрактальным объектам можно отнести кучевое облако, береговую
линию реки, ракушку и т. п. Свойство фрактальности имеет глубинные
культурные, философские и научные аналоги. Так, согласно монадологии
Лейбница, каждая монада отражает как в зеркале свойства мира в целом.
Детерминированный хаос – это закономерное и многократное
чередование порядка и хаоса. Для синергетики характерно представление о
хаосе как о таком же закономерном этапе развития, как и порядок.
Мы уже говорили, что предметом синергетики являются
универсальные механизмы самоорганизации. Сейчас настало время
рассмотреть некоторые из них.
Структурная общность, то есть единая симметрия форм,
образующихся в живой и неживой природе в результате процессов
самоорганизации. Например, спиралевидные формы, которые мы можем
наблюдать как спиральные рукава нашей галактики (Млечный Путь),
спиральные вихри циклонов в атмосфере Земли, спиральную форму
раковин многих моллюсков, спирально закрученные рога многих
копытных, спиральную форму ДНК и т. д.
Аналогичную общность и широкое распространение имеет структура
шестигранных ячеек. Проявление этой структуры мы можем найти в
пчелиных сотах, снежинках, перистых облаках, в географическом
распределении населения по территории и т. д.
Синергетика показывает необходимость образования в процессах
самоорганизации именно таких структур.
72
Следующим механизмом является функциональная общность
процессов самоорганизации. Устойчивость процессов самоорганизации
поддерживается благодаря следованию законам ритма, циклической
смены состояний: подъем – застой – спад – подъем и т. д. И человек, и
общество, и природа – все подчиняется этим ритмам. Например,
расширение и сжатие наблюдаемой Вселенной, смена активности
(бодрствования и сна) у человека и животных, колебания творческой
активности у человека, чередования политических и экономических
подъемов и спадов в обществе и т. д.
Третьим
крупным
механизмом
самоорганизации
является
случайность как элемент мира. Случайность, которая играет особую,
творческую роль в процессах самоорганизации, случайность, которая
творит новую структуру.
Выделяют два вида случайности:
1. Случайность, которая дает начало направленной эволюции системы.
Здесь необходимость рождается на базе случайности.
2. Случайность, которая дополняет необходимость, представляет
собой форму ее проявления.
Мы уже видели, что хаос, беспорядок, случайность необходимы для
возникновения нового. Как правило, всякий процесс развития
сопровождается огромным фоном случайностей. Когда и какой
случайности удастся стать существенной, прорваться с малого масштаба в
масштаб
системы
в
целом?
Инициирующим
началом
самоструктурирования системы является малая случайность (флуктуация),
одна из общего фона случайностей, которым сопровождается любой
процесс. Для объяснения перехода от хаоса к порядку И.Пригожин вводит
принцип “порядок через флуктуации”. В открытых, нелинейных системах
обязательно существуют диссипативные структуры, осуществляющие
процесс диссипации, то есть процесс уничтожения, выжигания всего
лишнего и оставления лишь того, что образует, выстраивает новую
структуру. Хаос, как это ни странно, конструктивен в самой своей
разрушительности и через нее. Хаос есть важнейшее свойство процессов
самоорганизации, необходимое для выхода на аттрактор, для создания
новой структуры.
Чтобы случайность могла прорваться в масштаб системы,
необходимое особое состояние системы. Это состояние называют
неустойчивостью. Состояние неустойчивости системы означает ее
чувствительность к малейшим флуктуациям (случайностям).
Простейшие примеры неустойчивости: положение мяча, находящегося на
вершине горки, где любое малейшее отклонение может привести мяч к
падению вниз; неустойчивое положение карандаша, который пытались
поставить на острие, революционная ситуация в обществе и т. п.
Неустойчивость – это то, что приводит к коренным перестройкам
73
нелинейной открытой системы. Если нет неустойчивости, то нет и
развития. Иначе говоря, развитие происходит через неустойчивость,
через бифуркации, через случайность.
Подведем некоторые итоги. Чтобы в системе могли развиться
катастрофические, лавинообразные процессы, чтобы случайность могла
развертывать цепь значительных событий, сама среда должна быть особым
образом подготовлена. Среда должна находиться в возбужденном,
критическом, предреволюционном состоянии, когда мельчайшая пылинка
может привести к закипанию воды в котле, а незначительный повод может
вызвать социальную катастрофу, сметающую все на своем пути.
Проблема возникновения новой структуры в открытой нелинейной
системе
–
это
проблема
качественного
скачка,
проблема
непредсказуемости и относительной необусловленности возникновения
нового, рождение нового сразу, вдруг, как некого целого, а не по частям, не
фрагментарно.
В открытой системе потенциально существует спектр структур
(форм организации), которые в ней могут появиться. Причем,
возможности для возникновения структуры определяются исключительно
внутренними свойствами этой системы, а не внешним на нее воздействием.
Идея о спектре структур в открытой нелинейной системе позволяет
дополнительно прояснить место случайности в эволюции системы. Какие
именно пути эволюции системы могут быть в принципе реализованы, –
определяется собственными свойствами системы. Случайность же
определяет возможные “блуждания” по полю путей развития. В состоянии
неустойчивости или вблизи точки бифуркации случайность может
обусловить то, какая из спектра возможных структур возникнет в
данный момент. Случайность способна сыграть роль того механизма, той
силы, которая выводит систему на аттрактор, на одну из собственных,
наиболее устойчивых и вероятных структур системы. Далее, открытая
система начинает сама себя выстраивать, организовывать, но для начала
этого процесса необходим хаос, необходима случайность.
Синергетика и управление.
Традиционный, господствующий до настоящего времени подход к
управлению природными и социальными процессами соответствовал
схеме: управляющее воздействие – желаемый результат. Причем, чем
больше прилагаешь усилий, тем больше как будто бы отдача. Однако,
такое представление о процессе управления не только упрощенное, но и
опасное. Оно, к примеру, привело нашу страну к глубокому
экологическому и социальному кризису. Наша жизнь показала, что
стремление
к
предельной
планомерности,
заорганизованности,
централизации сверху привело к обратному, непредсказуемому результату,
трудно
преодолимому
кризису.
Знание
законов
синергетики
74
(самоорганизации) сложных систем вселяет в человека новые надежды и
дает новые перспективы.
Во-первых, раз существует множество путей развития, то значит
путь развития не предопределен, не единственен. У человечества есть
право выбора лучшего, оптимального для него пути развития.
Оптимальный путь развития надо выбирать, его надо вычислять и им надо
управлять.
Во-вторых, хотя путей развития системы и много, но их количество
все же не бесконечно. Знание ограничений, то есть того, что в принципе
нельзя осуществить в данной системе - это само по себе очень ценное
знание. Так, человек знает, что нельзя изобрести вечный двигатель, черпать
энергию из ничего и т. д. И тогда человек уже не будет тратить
материальные ресурсы и время, собственные усилия впустую.
В-третьих,
человек
может
рассчитать
желательные,
оптимальные и осуществимые “сценарии” развертывания событий и
контуры будущего. Зная будущее желательное состояние и способы
следования естественным тенденциям самоорганизующейся системы,
человек может сократить время выхода на аттрактор будущей
формы организации. Тем самым можно избежать многих зигзагов
эволюционного пути, то есть ускорить эволюцию.
Но каким же образом этого достичь? В каждом процессе развития
открытой системы есть определенная стадия, где система особенно
чувствительна к воздействиям, согласованным с ее внутренними
свойствами (резонансные воздействия). Резонансное воздействие, по
сути дела, означает, что важна не величина, не сила воздействия на
систему, а его правильная пространственно-временная организация,
“архитектура”. Слабое, но резонансное воздействие, как правило, очень
эффективно. Если мы будем “укалывать” систему в нужное время и в
нужном месте, согласно ее собственным структурам возбуждения, то она
будет развертывать перед нами желаемые формы и структуры.
Этот подход к управлению имеет универсальное значение. Исходя из
него, можно ответить на вопрос, каковы эффективные способы воздействия
человека на природу. Вплоть до настоящего времени отношение человека к
природе строилось как внешнее воздействие, покорение, насилие. В
соответствии с положениями синергетики необходимо ориентироваться
на собственные, естественные тенденции развития природы,
стараться попадать с ними в резонанс.
Парадокс И.Пригожина.
В конце своей жизни в интервью журналу «Эксперт» (декабрь 2000 г.)
Пригожин заявил, что «мы приближаемся сейчас к такой точке
бифуркации, после прохождения которой человечество окажется на одной
из нескольких вероятных траекторий. Главный фактор – информационнотехнический бум. Мы подходим к созданию «сетевого общества», в
75
котором люди будут связаны между собой так, как никогда ранее… На что
будет походить сетевое общество – на большой механически
организованный муравейник или на общество свободных людей?» Потеря
свободы (глобальные сетевые порядки) кажется не лучшим выходом из
новой бифуркации; но и мир, в котором все решает случай (волевое
решение индивида), вряд ли кого устроит. Где лежит компромисс между
этими крайностями? Возможна ли иная, третья, альтернатива? Ответа
никто дать не может. Можно лишь предположить, что процессы
глобализации и сетевизации общественных структур ведут не только к
жесткой упорядоченности социальных связей, но и значительному
повышению роли отдельных личностей в истории. Так было всегда и,
вероятно, будет в дальнейшем.
Лекция 14. Симметрия законов природы
К слову «симметрия» мы привыкаем с детства, и кажется, что в этом
ясном понятии ничего загадочного быть не может. Если стать в центре
здания и слева от вас окажется то же количество этажей, колонн, окон, что
и справа, значит здание симметрично. Если бы можно было перегнуть его
по центральной оси, то обе половинки дома совпали бы при наложении.
Такая симметрия получила название зеркальной. Этот вид симметрии
весьма популярен в животном царстве, сам человек скроен по ее канонам.
В этом понимании симметрия означает неизменность предмета
при отражении в зеркале или при отражении в центре.
Наиболее удачным может считаться остроумное определение
немецкого математика Германа Вейля (1885-1955), согласно которому,
симметричным называется такой предмет, с которым можно
проделать какую-то операцию, получив в итоге первоначальное
состояние. В случае зеркальной симметрии меняются правая и левая части
предмета, а при поворотной симметрии переставляются его части.
Будем понимать под симметрией неизменность не только
предметов, но и физических явлений, и не только при отражении, но и
вообще при какой-либо операции – например, при переносе установки из
одного места в другое, или при изменении момента отсчёта времени.
Выделяют понимание симметрии в узком и в широком смысле.
В узком смысле «симметричное обозначает нечто, обладающее
хорошим соотношением пропорций, а симметрия – тот вид
согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое.
Красота тесно связана с симметрией», - писал Г.Вейль в книге «Этюды о
симметрии».
В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее
существующий в объективной действительности порядок, определенное
76
равновесное
состояние,
относительную
устойчивость,
пропорциональность и соразмерность между частями целого.
Мы воспринимаем как совершенно естественный тот факт, что законы
физики совершенно одинаковы в Москве, Калуге и Лос-Анджелесе.
Природа, точнее ее законы, обладает одним из видов симметрии —
однородностью пространства: все точки пространства равноправны.
Но в пространстве взаимозаменяемы не только отдельные точки, но и
группы точек — целые направления. Другими словами, если бы вдруг вся
вселенная со всеми неисчислимыми звездными мирами плавно
повернулась бы на какой-то угол, законы природы ни на йоту не
изменились бы. Такое равноправие направлений, или, как говорят ученые,
изотропность пространства, - тоже вид симметрии. Законы природы
симметричны не только относительно пространства, но и
относительно времени.
Физики полагаются на СТАБИЛЬНОСТЬ МИРОЗДАНИЯ: законы,
которые истинны сегодня, были истинны вчера и останутся истинными
завтра. Представим себе Вселенную, в разных частях которой свои законы
физики, и эти законы изменяются непредсказуемым образом от места к
месту. В таком мире эксперименты, проведённые в одном месте, не дадут
никакой информации о физических законах, действующих в других местах.
К счастью, всё, что мы знаем, говорит о том, что ПОВСЕМЕСТНО
ДЕЙСТВУЮТ ОДНИ И ТЕ ЖЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ. Физики называют
это свойство физических законов СИММЕТРИЕЙ ПРИРОДЫ.
Различают следующие формы симметрии.
К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся
свойства пространства-времени, такие, как однородность пространства и
времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных
систем отсчета и т. д.
К динамической форме относятся симметрии (внутренние
симметрии), выражающие свойства физических взаимодействий, например,
симметрии электрического заряда, симметрии спина и т. п.
Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике
является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии
связаны
с
инвариантностью
относительно
масштабных
преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона
железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую.
Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно
изменение масштаба.
Рассмотрим сначала, как проявляется самая простая геометрическая
симметрия – ОДНОРОДНОСТЬ (эквивалентность всех точек) и
ИЗОТРОПНОСТЬ (эквивалентность всех направлений) ПРОСТРАНСТВА.
Эта симметрия означает, что любой физический прибор – часы, телевизор,
телефон – должен работать одинаково в различных точках пространства,
77
если не изменяются окружающие физические условия. То же самое
относится и к повороту прибора. Например, если вы проводите какой-то
эксперимент и после этого решаете повернуть вашу установку и повторить
опыт, должны действовать те же самые законы. Этот принцип известен под
названием ВРАЩАТЕЛЬНОЙ СИММЕТРИИ. Он означает, что законы
физики трактуют все возможные НАПРАВЛЕНИЯ как равноправные.
Роль симметрии состоит в возможности восстановления свойств по
косвенным признакам, что гораздо проще прямого подхода. Так, для
изучения законов физики в созвездии Андромеды можно было бы
направить туда экспедицию. Но косвенный подход с использованием
закона симметрии при сдвиге места действия куда проще.
Ещё одна важная геометрическая симметрия – ОДНОРОДНОСТЬ
ВРЕМЕНИ. Все физические законы протекают одинаково, когда бы они ни
начались. Так, электроны в атомах далёких звёзд движутся в том же ритме,
что и на Земле, - частота испускаемого ими света такая же, несмотря на то,
что свет был испущен миллиарды лет тому назад.
Законы природы НЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ И ОТ ЗАМЕНЫ
НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ НА ОБРАТНОЕ ТЕЧЕНИЕ.
Это означает, что взгляд назад являет такую же картину, как и взгляд
вперёд. Так ли это? Яйцо, упавшее со стола, растекается, и никогда белок и
желток не собираются обратно в скорлупу и не «прыгают» обратно на стол.
И тем не менее, молекулы в принципе могут случайно так согласовать свои
движения, что невероятное свершится. В малом масштабе явления такого
рода происходят с большой вероятностью: молекулы в малом объёме газа
под влиянием столкновений то стекаются вместе, то растекаются так, что
их плотность только в среднем является постоянной.
Существует еще и геометрическая ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ –
волчок, закрученный направо, ведёт себя так же, как закрученный налево,
единственная разница в том, что фигуры движения правого волчка будут
зеркальным отражением фигур левого.
Если объект может быть как зеркально симметричным, так и
зеркально асимметричным как, например, левая и правая перчатка, то это
его свойство зеркальной симметрии называется хиральностью (от
греческого слова cheiros – рука).
СИММЕТРИЯ СРТ (це-пе-те) или СРТ-теорема, состоит в том, что
процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном
проведении трех преобразований: 1. Замене частиц античастицами
(замена заряда на противоположный). 2. Зеркальном отражении, т. е.
замене координат r на - r, к примеру, правого направления на левое
(пространственная инверсия). 3. Замене времени, прошлого на будущее, t
на - t (обращение времени).
СРТ-теорема была сформулирована и доказана в работах немецкого
физика Г. Людерса (р. 1920) и швейцарского физика В. Паули (1900-1958).
78
Она вытекает из основных принципов квантовой теории поля. Если в
природе происходит некоторый процесс, то в силу СРТ-теоремы с той же
вероятностью в ней может происходить и процесс с соответствующими
заменами.
А.Эйнштейн обнаружил, что все явления природы инвариантны
относительно сдвигов, поворотов и отражений в ЧЕТЫРЁХМЕРНОМ
ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ.
СИММЕТРИЯ
ПРОСТРАНСТВАВРЕМЕНИ ЯВЛЯЕТСЯ ВСЕОБЩЕЙ, все явления природы - физические,
химические, биологические - не изменяются при таких поворотах. Ему
удалось это сделать после глубокого и не сразу принятого современниками
пересмотра привычных представлений о ПРОСТРАНСТВЕ и ВРЕМЕНИ.
Согласно специальному принципу относительности Эйнштейна, все
физические законы имеют одинаковый вид в любых инерциальных
системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны)
относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.
Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что КАЖДОЙ
СИММЕТРИИ СООТВЕТСТВУЕТ СВОЙ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ.
Данный вывод содержится в ТЕОРЕМЕ НЁТЕР, выведенной в 1918
г. и названной в честь её создательницы, немецкого математика Эмми
Нётер (1882-1935). Например, закон сохранения импульса есть следствие
однородности пространства. Величина импульса не зависит от выбора
начальной точки отсчёта в пространстве (сдвиг в пространстве).
1. Закон сохранения импульса (Закон сохранения количества
движения) утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц)
замкнутой системы есть величина постоянная.
Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом
пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии
взаимодействия скорость его изменения определяется суммой
приложенных сил. В классической механике закон сохранения импульса
обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако этот закон
сохранения верен и в случаях, когда ньютоновская механика неприменима
(релятивистская физика, квантовая механика).
2. Закон сохранения момента импульса (речь идёт об интенсивности
вращательного движения) есть следствие изотропности пространства.
Момент импульса (кинетический момент, угловой момент,
орбитальный момент, момент количества движения) характеризует
количество вращательного движения. Это величина, зависящая от того,
сколько массы вращается, как она распределена относительно оси
вращения и с какой скоростью происходит вращение.
Следует учесть, что вращение здесь понимается в широком смысле, не
только как регулярное вращение вокруг оси. Например, даже при
прямолинейном движении тела мимо произвольной воображаемой точки,
79
оно также обладает моментом импульса. Наибольшую роль момент
импульса играет при описании собственно вращательного движения.
Изотропность — одно из ключевых свойств пространства в
классической механике. Пространство называется изотропным, если
поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению
результатов измерений.
Изотропность пространства означает, что в пространстве нет какого-то
выделенного направления, относительно которого существует «особая»
симметрия, все направления равноправны.
Следует отличать изотропность от однородности пространства.
Однородность пространства означает, что все точки пространства
равноправны, поэтому результат эксперимента не зависит от выбора точки
отсчета.
3. Закон сохранения энергии есть следствие однородности
времени. Величина энергии системы не зависит от выбора начала отсчёта
во времени (можно сдвигать как в прошлое, так и в будущее).
Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы,
установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия
изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими
словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть
бесследно, она может только переходить из одной формы в другую.
В теореме Нётер рассматривается пространство-время классической
механики, подчиняющееся геометрии
Евклида. Подразумеваются
изолированные системы отсчёта.
Понятие асимметрии.
Противоположным
симметрии
понятием
является
понятие
асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире
нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости,
пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого,
связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже
отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник
развития, эволюции, образования нового.
Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии.
Так
геометрические
асимметрии
выражают
неоднородность
пространства – времени, анизотропность пространства и т.д.
Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и
нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различиях между
частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.
д.
Довольно загадочным является тот факт, что в этом симметричном
мире несимметричность не только существует, но и играет весьма важную
роль. Все симметричное в природе обычно считают отражением
фундаментальных качеств мира, а несимметричное — игрой случая.
80
Например, человеческое лицо не совсем симметрично. Некоторые
отклонения от стандарта и геометрических пропорций делают лицо гораздо
более выразительным. Так, австралийский врач Д. С. Хейес объяснил
привлекательность улыбки Моны Лизы (Джоконды) оригинальной
несимметричностью ее лица.
Откуда же взялась эта неправильность в мире, полностью, казалось
бы, основанном на симметрии? Прищур глаз или непрямолинейность носа
еще могут быть объяснены случайными причинами, а разница между
руками или полушариями головного мозга?
«Праволапость» присуща не только людям, но и некоторым
животным. «Правши» и «левши» обнаружены и в мире растений. Могут
быть левыми и правыми листья, цветы, иголки и даже корни. Оказалось,
что они обладают разными качествами. Селекционеры заметили, что
несимметричные растения более жизнеспособны, и вывели новые
урожайные морозоустойчивые сорта.
Внешне симметричные полушария головного мозга различаются по
своим функциям: левое полушарие отвечает за логические и абстрактнорациональные способности, а правое – за чувственно-образное восприятие.
Явно асимметричным признаком является разделение полов – достаточно
позднее приобретение эволюции, причем каждый пол вносит в процесс
воспроизведения свою генетическую информацию.
Симметрия и асимметрия живого проявляются и в важнейших
факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность)
проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия.
Факторами возникновения асимметрии могли быть радиация,
температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др.
НАРУШЕНИЯ СИММЕТРИИ. Наиболее важным нарушением
симметрии является СПОНТАННОЕ НАРУШЕНИЕ. Оно заключатся в
том, что в системе, описываемой симметричными законами и
удовлетворяющей симметричным начальным условиям, возникают
несимметричные конечные состояния. Нарушения
симметрии
происходят тогда, когда симметричные состояния оказываются
неустойчивыми и под воздействием малых возмущений переходят в
энергетически более выгодные несимметричные состояния.
Например, когда в резервуаре равномерно распределены молекулы
воды, она выглядит одинаковой вне зависимости от того, под каким углом
на неё смотреть (имеет место симметрия). При уменьшении температуры
происходит уменьшение симметрии, которую проявляют молекулы воды. В
то время как жидкая вода выглядит ещё одинаково под любым углом
наблюдения, демонстрируя симметрию относительно вращений, твёрдый
лёд выглядит совершенно иначе. Он обладает кристаллической структурой,
81
то есть он, как и любой кристалл, будет выглядеть по-разному при
наблюдении под разными углами.
Любой фазовый переход приводит к явному уменьшению
симметрии.
Подобные переходы мы можем наблюдать в эволюции Вселенной,
что привело к её асимметричной форме.
Так, современное видение эволюции Вселенной основано на идее о
спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума. Под исходным
вакуумом понимают состояние материи до Большого Взрыва, когда вся
материя была представлена физическим вакуумом. Спонтанное нарушение
симметрии
означает,
что
при
определенных
макроусловиях
фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а
платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума.
Один из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной
включает инфляционную стадию – «раздувание» вакуума, обладающего
огромной энергией. Такой вакуум обладает стремлением к
гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение.
Вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное
состояние. В процессе расширения из «суперсимметричного» состояния
Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому
Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало
через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили
спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Схематично этот
процесс представляется в следующем виде:
1-я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами и
фермионами привело к разделению материи на вещество и поле;
2-я бифуркация: нарушение тождества между кварками и лептонами;
симметрия Вселенной нарушается до симметрии, отвечающей сильным
взаимодействиям
и
симметрии,
отвечающей
электрослабым
взаимодействиям; нарушается также симметрия между веществом и
антивеществом: частиц вещества рождается больше, и вся наша Вселенная
оказывается построенной из вещества;
3-я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого
взаимодействия, что обнаруживается нами в виде различия между
электромагнитным и слабым взаимодействием.
4-я бифуркация: возникают протоны и нейтроны.
Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению
водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, галактик и т.д.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он
отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и
зарядов.
82
Другими словами, исходные законы физики максимально
симметричны, а наблюдаемые асимметрии связаны с тем, что мы
существуем в мире со спонтанно нарушенными симметриями.
Лекция 15. Химические концепции.
Химия – наука о составе, строении и превращении веществ.
Химия разделяется на две крупные части: учение о составе вещества
и химическую кинетику (учение о химической реакции).
Учение о составе вещества.
Химическое вещество определяют как материальную структуру
(образование), состоящую из химических элементов.
Химическое вещество бывает простым и сложным.
Простым веществом является отдельный химический элемент.
Точнее говоря, простое химическое вещество, состоящее из атомов
одного и того же химического элемента. Оно может иметь молекулярное
или атомное строение.
Некоторые элементы образуют несколько простых веществ. Это
явление называется аллотропией. Аллотропия может быть обусловлена
различным числом атомов в молекуле (например, обычный кислород О2 и
озон О3) или различием в кристаллической решетке (например, алмаз и
графит).
Сложное химическое вещество можно определить как материальную
структуру, состоящую из атомов различных химических элементов,
соединенных между собой химической связью.
Атом – химически неделимая нейтральная частица, состоящая из
более мелких элементарных частиц – протонов, нейтронов и электронов.
Их основные свойства – заряд и масса.
Протоны и нейтроны в атоме образуют положительно заряженное
ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома.
Положительный заряд ядра определяется числом протонов в нем.
Электроны в атоме движутся вокруг ядра и занимают пространство,
которое в несколько тысяч раз превышает размер самого ядра (диаметр
ядра 10-12см, а диаметр атома 10-8см). Заряд ядра является главной
характеристикой атома. Он определяет число его электронов.
Химические же свойства атома зависят исключительно от его
электронной структуры. В химических реакциях только электроны
участвуют в образовании химической связи.
Химический элемент – это совокупность всех атомов, обладающих
одинаковым зарядом ядра. Строение атома химического элемента,
например, углерода, записывают так: 612 С. Верхний индекс (12)
соответствует массовому числу атомов (сумме протонов и нейтронов в
83
ядре, численно равной его атомной массе), нижний индекс (6) – заряду ядра
атома, т.е. количеству протонов в ядре и количеству электронов в атоме.
В принятой в химии системе атом обозначается первой буквой или
первой и одной из последующих букв его латинского названия. В
настоящее время известно 114 (по другим данным 118) химических
элементов, многие из которых были искусственно синтезированы, а не
обнаружены в природе.
Атомы тяжелых элементов (с порядковым номером выше 101)
являются крайне неустойчивыми и, как правило, тут же распадаются после
их синтеза. Время существования некоторых из них не превышает сотых, а
то и тысячных долей секунды.
Молекулы – мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его
химические свойства.
Химические элементы принято делить на два больших класса:
металлы и неметаллы.
Металлами называются те элементы, которые обладают такими
свойствами как высокая электропроводность, высокая теплопроводность,
ковкость, текучесть, специфический блеск и т.д. Свыше 80 из известных на
сегодняшний день элементов являются металлами. Это железо,
алюминий, платина, золото, серебро, ртуть и др.
Неметаллы не обладают указанными свойствами, к ним принадлежат
водород, кислород, углерод, азот, хлор, фосфор, сера и др.
По степени распространенности на Земле химические элементы
существенно разнятся между собой. Так, в химическом составе нашей
планеты содержится 29,5% кислорода – это самый распространенный
химический элемент на земной поверхности.
Десять наиболее
распространенных на Земле элементов: кислород (О), кремний (Si),
алюминий (Аl), железо (Fe), медь (Cu), натрий (Na), калий (К), магний
(Mg), титан (Ti) и марганец (Mn) образуют 99,92% земной коры, в то
время как доля всех остальных элементов (а их около ста), вместе взятых,
составляет менее 0,1%.
Химические элементы выступают в различных формах, называемых
изотопами. Термин «изотоп» обозначает разновидности (модификации)
одного и того же химического элемента, отличающиеся атомной массой.
Атомы изотопов какого-либо химического элемента содержат
одинаковое число протонов, но количество нейтронов в них
оказывается разным. Подавляющее большинство химических элементов
имеет свои изотопные модификации. Так, водород имеет два изотопа,
кислород – три, железо – четыре и т.д. Принято различать устойчивые
(стабильные) изотопы и нестабильные – радиоактивные изотопы,
которые являются источником излучения.
Сложное химическое вещество образуется из простых или из менее
сложных веществ путем химического синтеза и может быть разложимо на
84
свои составляющие части в результате обратного процесса – химического
анализа.
Химические анализ и синтез, следовательно, суть процессы, при
которых одни вещества превращаются в другие, отличные от исходных по
своим химическим свойствам. Анализ и синтез выступают основными
формами химической реакции.
Химическая реакция – это процесс превращения одних веществ в
другие, отличные от исходных по составу или строению. В ходе
химической реакции подвергаются изменениям не атомы как таковые, а
молекулы и кристаллические структуры.
Одним из самых химически активных элементов является углерод
(С). Будучи в обычных условиях довольно инертным элементом, углерод
при высоких температурах активизируется и вступает в химическую
реакцию со многими элементами, образуя с ними всевозможные
соединения. Атом углерода обладает уникальной способностью
образовывать как углеродно-углеродные связи, так и связи с
органогентами – химическими элементами, составляющими основу
живой материи. К органогентам помимо углерода (С) относятся еще пять
химических элементов: водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и
сера (S). Уникальность углерода объясняется способностью его атома
образовывать почти все известные типы химической связи.
В химии существуют два важных понятия «степень окисления» и
«валентность».
Процесс отдачи электронов называется окислением, а процесс
присоединения – восстановлением. Количество отданных электронов
равно количеству присоединенных. Атомы или ионы, которые в данной
реакции присоединяют электроны, являются окислителями, а атомы или
ионы, которые отдают электроны – восстановителями.
Способность атома химического элемента (или группы атомов)
образовывать химические связи с другими атомами (или группами
атомов) называется валентностью. Валентность имеет ряд частных
проявлений, например, ковалентность, степень окисления и др.
Под химической связью следует понимать взаимодействие атомов,
благодаря которому они соединяются в молекулы и кристаллы. Данное
взаимодействие имеет электромагнитную природу и сопровождается
перестройкой электронных оболочек связывающихся атомов.
Основными типами химической связи являются ковалентная,
ионная, водородная и металлическая связи.
Среди этих проявлений особое место принадлежит ковалентной
связи, под которой понимается химическая связь, осуществляемая парой
электронов, находящейся в общем владении двух атомов, образующих
эту связь.
85
Не менее важной является ионная связь. Она представляет собой
химическую связь, в основе которой лежит электростатическое
взаимодействие между противоположно заряженными ионами.
Введенный Фарадеем термин «ион» обозначает электрически
заряженную частицу, а именно атом или атомную группу, потерявшие
или же, наоборот, приобретшие избыточные электроны. Потерявшая
электрон, а стало быть, положительно заряженная частица называется
катионом (+). Противоположная частица, присоединившая к себе
«чужой» электрон и ставшая вследствие этого отрицательно заряженным
ионом называется анионом (-). Заряд ионов составляет кратное число от
заряда электрона.
Ионная связь
«ответственна» за образование и существование
гетерополярных молекул (от греч. – ось, полюс). К таким молекулам
относится молекула поваренной соли NaCl, существование которой
обеспечивается за счет силы электрического притяжения между катионом
натрия (Na+) и анионом хлора (Cl-). Атом натрия отдает электрон,
становясь катионом (Na+), а атом хлора принимает этот электрон,
превращаясь тем самым в анион (Cl-).
Совсем
другое
происхождение
имеет
водородная
связь,
обеспечивающая соединение атомов в так называемые гомеополярные
молекулы (от греч. – подобный), где потенциальных ионов не существует.
Примером таких молекул может служить молекула водорода (Н2). Два
атома водорода образуют молекулу данного химического элемента,
благодаря тому, что ψ-волны, т. е. фотоны двух принадлежащих этим
атомам электронов как бы перекрывают друг друга и электроны
начинают меняться местами.
Металлическая связь образуется в результате взаимодействия
относительно свободных электронов с ионами металла.
Химическая кинетика (учение о химической реакции).
Химические связи образуются и разрушаются в ходе химических
реакций, которые обычно сопровождаются либо выделением, либо
поглощением энергии. Химическая энергия, как и любая другая, может
превращаться в иные формы энергии, в том числе и в тепловую. По этой
причине различают эндотермические (поглощающие тепло) и
экзотермические (выделяющие тепло) химические реакции.
Химические реакции проходят с самой различной скоростью. Так,
например, если разложение взрывчатых веществ может занимать всего
лишь миллионную долю секунды, то распад радиоактивных элементов
может продолжаться миллионы лет. Дело в том, что вступающие в
химическую реакцию исходные вещества превращаются в ее
окончательный продукт не сразу, а постепенно и опосредованно, поскольку
они проходят через целый ряд промежуточных изменений. Поэтому
86
оказалось возможным влиять на темпы прохождения химических реакций,
либо ускоряя их, либо, наоборот, замедляя. Вещества, которые сами не
участвуют в реакции, но присутствие которых изменяет темпы ее
прохождения,
называют
катализаторами.
Данное
название
впоследствии закрепилось именно за теми веществами, которые ускоряют
течение химической реакции. Вещества, замедляющие темпы прохождения
реакции (отрицательные катализаторы) стали называться ингибиторами.
Биологические катализаторы известны под названием ферментов.
Катализ – это ускорение химической реакции посредством веществкатализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не
расходуются и не входят в состав конечных продуктов.
Скорость химической реакции зависит от:
1.
Природы реагирующих веществ, например, при равных
условиях реакция более активного металла (цинка) с раствором соляной
кислоты идет с бурным выделением водорода, менее активного металла
(олова) идет довольно медленно.
2.
Концентрации.
При
увеличении
концентрации
реагирующих веществ число столкновений между их молекулами
увеличивается, потому увеличивается и скорость реакции.
3.
Для твердых тел скорость реакции пропорциональна
поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
4.
Температуры. При повышении температуры доля активных
молекул возрастает. По правилу Вант-Гоффа при повышении
температуры на 100 С скорость большинства реакций увеличивается в 2-4
раза.
5.
Присутствия катализатора или ингибитора.
Основные законы классической химии.
1.
Закон сохранения энергии полностью соблюдается на
уровне химических взаимодействий, и одно из его проявлений в химии
состоит в том, что количество принесенной в химическое
взаимодействие тепловой энергии равно количеству вынесенной из него
энергии.
2.
Законы теплового расширения газов.
А. Закон Бойля-Мариотта гласит, что произведение объема данной
массы идеального газа на его давление при постоянной температуре
постоянно.
В. Первый закон Дальтона гласит, что давление смеси химически не
взаимодействующих между собой газов равно сумме их парциальных
давлений.
С. Второй закон Дальтона утверждает, что при растворении смеси
газов в данной массе растворителя растворимость каждого из них в
этой массе пропорциональна его парциальному давлению.
87
Парциальное (частичное) давление – это давление компонента
газовой смеси, которое он оказывал бы в случае, если бы один занимал
объем всей смеси.
Д. Закон Гей-Люссака гласит, что объем данной массы идеального
газа при постоянном давлении линейно возрастает вместе с ростом
температуры.
3. Закон постоянства состава Луи Бертолле устанавливает, что
независимо от способа его получения каждое определенное химическое
соединение состоит из одних и тех же элементов, а следовательно,
всегда имеет одинаковый состав, причем отношения масс этих
элементов остаются постоянными, так как соотносительные
количества их атомов выражаются целыми числами. Данный закон строго
выполняется в газообразных и жидких соединениях. Состав же
кристаллических соединений может быть как постоянным, так и
переменным.
4. Закон кратных отношений Дальтона утверждает, что если два
элемента связываясь между собой, образуют более одного соединения,
то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого
в этих соединениях относятся как целые (обычно небольшие) числа. В
этом законе Дальтон устанавливает весовые соотношения элементов
химических соединений.
5. Закон простых объемных отношений Гей-Люссака гласит, что
при постоянных температуре и давлении объемы вступающих между
собой в химическую реакцию газов, а также объемы газообразных
продуктов реакции относятся как небольшие целые числа. Данный
закон применим, однако, только к идеальным газам.
6. Закон Авагадро, согласно которому в равных объемах идеальных
газов при одних и тех же температурах и давлениях содержится
одинаковое число молекул. На основе этого закона впоследствии было
выработано понятие «число Авагадро», обозначаемое NA и выражающее
собой количество частиц (молекул, атомов, ионов) содержащихся в 1
моле вещества. Было установлено, что число Авагадро имеет следующее
значение NA= 6,022 . 1023.
7. Закон смещения равновесия Ле-Шателье. Этот закон гласит:
внешнее
воздействие,
которое
выводит
систему
из
термодинамического равновесия, вызывает в этой системе процессы,
направленные на ослабление результатов такого влияния (сдвиг
химической реакции).
Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна
скорости обратной, называется химическим равновесием.
Это общий закон смещения термодинамического равновесия в
химических реакциях под влиянием внешних факторов – температуры,
давления и др. Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один
88
из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет
реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот.
8. Теория Сванте Аррениуса. Это теория образования «активных»
молекул при химических реакциях. Изучая инверсию тростникового
сахара (процесс расщепления сахарида), он показал, что скорость этой
реакции определяется столкновением «активных» молекул. Резкое
повышение скорости этой реакции с ростом температуры определяется
значительным увеличением при этом количества «активных» молекул в
системе. Для вступления в реакцию молекулы должны обладать некоторой
добавочной энергией по сравнению со средней энергией всей массы
молекул вещества при определенной температуре (эта добавочная энергия
будет названа впоследствии энергией активации). Аррениус наметил пути
изучения температурной зависимости скорости реакции. Это уравнение
было в дальнейшем выведено Мак-Льюисом и получило имя Аррениуса.
Это уравнение является одним из основных в химической кинетике, а
энергия активации – важной количественной характеристикой реакционной
способности веществ.
9. Периодический закон химических элементов Д.И.Менделеева.
Сам Менделеев (1834-1906) в 1871 году дает следующее определение
данного закона: «Физические и химические свойства элементов,
проявляющихся в свойствах простых и сложных тел, стоят в
периодической зависимости … от их атомного веса». Менделеев связывал
химические свойства элементов именно с их атомными массами. Однако
последующее развитие химии привело к новой (современной)
формулировке периодического закона, согласно которой химические
свойства элемента ставятся в периодическую зависимость только от
заряда его атомного ядра, который равен числу содержащихся в этом
ядре протонов.
Периодичность свойств химических элементов основана на
тождественности конфигураций внешних электронных орбит атомов в
невозбужденном состоянии (эти электроны ответственны за химические
свойства). Так элементы группы галогенов (F, Cl, Br, I, At), обладающие
похожими химическими свойствами, имеют на внешнем электронном
уровне семь электронов, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Ca, Fr) – один
электрон и т. д.
Периодическая система элементов – это графическое изображение
периодического закона. Наиболее распространенным является знакомый
всем по школьной программе клеточный вариант.
Порядковый номер в таблице указывает на заряд атомного ядра, на
количество протонов в ядре и на количество электронов.
Периодическая таблица состоит из вертикальных рядов, называемых
группами, и горизонтальных – периодами. В периодах с увеличением
89
порядковых номеров металлические свойства уменьшаются, а
неметаллические свойства усиливаются.
Номер периода равен количеству электронных уровней.
Периоды объединяют элементы, в атомах которых происходит
заполнение одинаковых электронных уровней. При этом номер периода
совпадает с номером этого внешнего уровня. Например, 2-ой период
объединяет элементы, у которых заполняется второй уровень от Li до Ar –
всего 8 элементов. У элементов 6-го периода внешним электронным
уровнем является шестой – это Cs, Nd, W, Bi, Rn – всего 32 элемента.
Каждый период заканчивается элементом, относящимся к инертным газам.
У них полностью завершен электронный уровень.
Номер группы равен количеству внешних электронов для элементов
главных подгрупп. Для элементов побочных подгрупп номер группы
совпадает с максимальным количеством валентных электронов на
внешнем уровне атомов этих элементов, - как правило, два электрона.
Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в
каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком
порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения
молекулы. Изомерия – это явление существования разных веществ,
имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу.
Например, C2H6O может существовать как диметиловый эфир: СН3-О-СН3
и как этиловый спирт: СН3-СН2-ОН.
Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную
массу, но различное строение молекул, а потому обладающие различными
свойствами, называются изомерами.
Полимерами называют сложные вещества с относительно большими
молекулярными массами, макромолекулы которых построены из
множества повторяющихся звеньев – мономеров, связанных друг с другом
ковалентными
связями.
Полимеры
называют
также
высокомолекулярными соединениями.
Полимеры делятся на два класса: гомоцепные, основные цепи которых
построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, в основной цепи
которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода,
азота, кремния, фосфора.
Лекция 16. Геологические концепции
Становление геологии, и её предмет.
Наша планета является спутником Солнца – одной из 150 миллиардов
звёзд, образующих нашу Галактику – «Млечный Путь». Помимо Земли, в
Солнечную систему входят ещё восемь больших планет. Девять планет
солнечной системы расположены, по мере их удаления от Солнца, в
90
следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун и Плутон.
Среди них Земля занимает особое положение. Она является
уникальной планетой, поскольку именно на ней зародилась жизнь, которая
в результате своей долгой эволюции привела к появлению человека и
формированию человеческой цивилизации.
Как место обитания людей она становилась объектом их живого
интереса и пристального вниманию ещё в глубокой древности. Сначала
люди одухотворяли и обожествляли Землю в своих мифологических
представлениях, а затем в различных формах религиозного сознания
придали ей особый статус, превратив её в центр мироздания. Позднее она
становится объектом научных исследований.
Первые научные представления о Земле как космическом теле
восходят к древним цивилизациям. Так, например, идею шарообразности
Земли выдвигают и защищают древнегреческие мыслители (особенно
пифагорейцы), а Аристотель (384-322 до н.э.) доказывает правомерность
этой идеи при помощи круглой тени, отбрасываемой на Луну Землёй во
время лунных затмений. Древнегреческий астроном, последователь учения
Пифагора, Аристарх Самосский (ок. 320 - ок. 250 до н. э.) высказывает
мысль о том, что Земля движется вокруг Солнца, неподвижно
пребывающего в центре мироздания, впервые выдвигая идею
гелиоцентризма. Его младший современник Эратосфен Киренский –
астроном и географ, для определения размера земного шара применил
научную методику, математический расчёт. Согласно его наблюдениям, в
день летнего солнцестояния в городе Сиен (современном Асуане в Египте)
Солнце в полдень стоит в зените, тогда как в Александрии оно в это же
время отстоит от зенита на 1/50 часть (2%) окружности. Если расстояние от
Сиен до Александрии – 5 тыс. египетских стадий (стадия - примерно 167,7
м.), то, умножая первую величину на 50, получаем длину окружности
Земли в 39425 км. Разделив это число на 2π, мы установим, что радиус
Земли, по подсчётам Эратосфена, должен быть равным 6272,159 км
(согласно современным измерениям, он в среднем составляет 6371,032 км).
Однако эти и другие верные представления о Земле оставались до
эпохи Нового времени без надлежащих обобщений и систематизации.
Поэтому можно сказать, что история геологии как науки берёт своё начало
именно в данную эпоху, а точнее – во второй половине ХVII столетия. В
это время появляется и сам термин «геология», который ввёл в научный
оборот в 1657 году норвежский учёный М.П.Эшольт.
В самостоятельную область естественнонаучного знания геология
выделяется в конце ХVIII – начале ХIХ столетия, а в ХХ столетии
благодаря внедрению в геологические исследования физико-химических и
математических методов, ГЕОЛОГИЯ превращается в КОМПЛЕКС НАУК
91
О СОСТАВЕ, СТРОЕНИИ И ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ И
ЗЕМЛИ В ЦЕЛОМ.
В настоящее время геология включает в свою структуру такие важные
отрасли наук, как стратиграфия (раздел исторической геологии,
изучающий последовательность формирования горных пород и их
первичные пространственные взаимоотношения), тектоника, региональная
геология, учение о полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная
геология, геокриология (мерзлотоведение) и др. Отметим, что дух
эволюционизма, свойственный исторической геологии и её другим
разделам, был внесён во второй половине ХIХ века такими учёными, как
У.Смит, Ж.Кювье, А.Броньяр, Ч.Лайель, Э.Зюсс и др.
Согласно современным представлениям, Земля не является строгим
шаром, как считали раньше. Она несколько сплюснута у своих полюсов: её
полярный радиус примерно на 20 км короче экваториального. Ввиду этого
её фигуру обычно представляют как эллипсоид вращения, т. е. как геоид.
Будучи приближённой, идеальной формой (моделью) земного шара,
поверхность геоида, естественно, отличается от действительной
физической поверхности Земли с её континентальными возвышениями и
океаническими впадинами. Однако именно относительно его поверхности
производятся измерения и определяются значения высоты и глубины
соответственно этих возвышенностей и впадин. Согласно современным
измерениям, установлено, что самой высокой точкой земной поверхности,
возвышающейся над поверхностью геоида на 8848 м, является вершина
Джомолунгма (Эверест) в Гималаях, а самой низкой её точкой оказывается
Марианская впадина в Тихом океане, расположенный на глубине 11022 м
ниже поверхности геоида.
Земля – это третья от Солнца планета Солнечной системы. Она
обращается вокруг нашего светила по близкой к круговой эллиптической
орбите со скоростью 29,765 км/с. Перигелий и афелий её орбиты
соответственно составляют 147,1 млн. км (в начале января) и 152,1 млн. км
(в начале июля). Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты.
Афелий представляет собой наиболее отдалённую от Солнца точку орбиты
планеты. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365,24 средних
солнечных суток. Наша планета также вращается вокруг собственной оси,
которая наклонена относительно эклиптики на 66 градусов, 33 минуты и 22
секунды и совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут
и 41 секунду. Площадь поверхности Земли (S) достигает 510,2 млн. км 2, её
объём (V), масса (m) и средняя плотность составляют соответственно 1,083
х 1012 км3, 5976 х 1021 кг и 5518 кг/м3. Она обладает гравитационным,
магнитным и тесно взаимодействующим с этим последним электрическим
полем и имеет естественный спутник – Луну, вращающуюся вокруг Земли
на расстоянии в 384400 км.
Структура Земли.
92
Согласно
современной
космогонической
концепции,
Земля
образовалась около 4,7 млрд. лет назад из газово-пылевого вещества,
содержащегося в протосолнечной системе. Под воздействием
гравитационных сил происходило разделение её вещества, что в конечном
итоге привело к образованию различных по химическому составу,
агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочек-геосфер: ЯДРА
(центральной сферы), МАНТИИ, ЗЕМНОЙ КОРЫ, ГИДРОСФЕРЫ и
АТМОСФЕРЫ. К этим оболочкам следует добавить ещё и
МАГНИТОСФЕРУ.
В направлении от атмосферы к центру Земли возрастают температура,
давление и плотность, которые в центре земного шара достигают
соответственно: 4000-50000С, 3,6 х 1011 Н/м2 и около 12,5103 т/м3. В
химическом составе Земли преобладают железо (34,6%), кислород (29,5%),
кремний (15,2%) и магний (12,7%). До центра Земли расстояние составляет
ок. 6400 км.
Земное ядро представляет собой центральную геосферу с радиусом
около 3500 км. Его принято делить на ВНУТРЕННЕЕ и ВНЕШНЕЕ ядра
Земли.
ВНУТРЕННЕЕ ядро представляет собой сферу с радиусом порядка
1250 км, в центре которой температура приближается к 50000С. В
основном внутреннее ядро состоит из железа, но ввиду большого давления
находится твёрдом состоянии. Предполагается, что оно является
кристаллом с анизотропными (т.е. неодинаковыми) свойствами. Ученые
полагают, что внутреннее ядро увеличивается в размерах (каждый год
примерно на 1мм). Поверхность ядра неровная, покрытая металлическими
кристаллами – дендридами, которые постоянно растут. Тепло передается
от внешнего ядра к внутреннему. Внутреннее ядро будет расти, и
продолжать остывать.
ВНЕШНЕЕ ЯДРО, расположенное между нижней границей мантии и
верхней границей ВНУТРЕННЕГО ЯДРА (примерно 2900 км от
поверхности планеты). Внешнее ядро находится в жидком состоянии,
хотя оно похоже больше на желе, чем на жидкость (то есть имеет
достаточно большую вязкость). По мере продвижения к центру Земли
вязкость увеличивается, и желе переходит в твердое кристаллическое тело.
Внешнее ядро также состоит в основном из железа и его окислов.
Считается, что именно железное содержание ядра Земли является
источником земного магнетизма, а конвективное движение вещества
внешнего ядра рассматривается в качестве причины изменения
местонахождения полюсов Земли, которое неоднократно случалось в ходе
земной эволюции.
Металлическое вращающееся ядро Земли создает электромагнитное
поле, которое защищает нас от солнечной радиации. Магнитное поле
Земли разделяет поток солнечной радиации и отклоняет его от нашей
93
планеты. На полюсах Земли сталкивается солнечный поток радиации и
магнитное поле, образуя Северное сияние.
Со временем ядро остынет, и в нем прекратятся турбулентные потоки,
исчезнет магнитное поле Земли. Земля не сможет удерживать атмосферу и
океаны на своей поверхности. На Землю обрушится смертельная для всего
живого радиация, метеоритный дождь и т. п. Наша планета превратится в
мертвую и безжизненную.
Подобное
предположение
следует
из
установленного
СЕЙСМОЛОГИЕЙ факта распространения волн землетрясений с
различной скоростью по разным направлениям их перемещения.
СЕЙСМОЛОГИЯ – наука, исследующая землетрясения и связанные с
ними явления. В задачу сейсмологии входит также изучение твёрдых
оболочек Земли, при помощи исследования упругих волн, вызванных
землетрясениями, взрывами и другими причинами. Волны проходят через
различные материалы по–разному. По прохождению волн можно
охарактеризовать то, что находится внутри планеты.
МАНТИЯ (от греч. mantion – покрывало, плащ) Земли, расположена
между верхней границей внешнего ядра и нижней границей земной коры.
Мантия состоит из перидотитов: силикатов магния, силикатов
железа, силикатов кальция и др.
Ее обычно делят также на две части: НИЖНЮЮ и ВЕРХНЮЮ
МАНТИИ. НИЖНЯЯ МАНТИЯ имеет толщину около 2000 км, а
ВЕРХНЯЯ – около 900 км. Вместе они составляют 83% объёма Земли и
67% её массы. Температура вещества мантии достигает порядка 200025000С, поэтому ему присущи интенсивные конвективные движения.
Мантия – это динамическая масса вращающейся породы, которая движется
энергией ядра, своего рода электростанция планеты. Движения мантии
приводят к тектоническим сдвигам, вулканизму и ряду других процессов,
происходящих в земной коре. Через «столбы мантии» (образуются на
глубине 2400 км от поверхности Земли) происходит прорыв вещества –
извержение вулканов.
Между мантией Земли и земной корой проходит граница, названная в
честь открывшего её в 1909 году югославского учёного поверхностью
Мохоровича. Непосредственно прилегающий к данной поверхности
верхний твёрдый слой мантии вместе с земной корой образует
ЛИТОСФЕРУ (литосфера – от греч. lithos - камень и греч. sphаire – это
верхняя твёрдая оболочка Земли). ЛИТОСФЕРА состоит из отдельных,
взаимодействующих между собой плит, крупнейшими из которых
являются Евроазиатская, Индо-Австралийская, Тихоокеанская, СевероАмериканская, Южно-Американская, Африканская и Антарктическая.
Непосредственно соприкасаясь с АСТЕНОСФЕРОЙ (это слой пониженной
твёрдости, прочности
и повышенной вязкости в верхней мантии,
служащей неким основанием для литосферы), литосферные плиты как бы
94
скользят по ней. Происходит перемещение этих плит (примерно на 3 см в
год), проявляющееся, в частности, как дрейф континентов. Перемещаясь,
литосферные плиты (толщина которых местами достигает 100 км, а по
поперечнику они могут достичь нескольких тыс. км.) сталкиваются между
собой. Это ведёт к разломам и трещинам в литосфере. Через них
раскалённая масса астеносферы и более глубинных слоёв мантии (и даже
внешнего ядра) может вырваться наружу в виде магмы (от греч. magma –
тесто, месиво), вызывая все явления, связанные с вулканизмом или же
просто создавая новые участки земной коры.
Вместе с тем, часть энергии трения литосферных плит превращается в
колебательные движения, известные как землетрясения. Вообще эти
колебания земной поверхности бывают ТРЁХ ВИДОВ: тектонические,
вулканические и обвальные.
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ
землетрясения
связаны
с
тесным
взаимодействием литосферных плит между собой. При достаточно сильном
трении возникает волна сотрясений, которая с различной интенсивностью
доходит до поверхности Земли, вызывая её колебания. Место
возникновения данной волны называется ГИПОЦЕНТРОМ или иначе –
очагом землетрясения, а участок земной поверхности, расположенный
непосредственно над ним – ЭПИЦЕНТРОМ. Наиболее сильными и
разрушительными являются тектонические землетрясения.
Менее сильными, но более продолжительными являются
ВУЛКАНИЧЕСКИЕ землетрясения, происходящие в результате
извержения вулканов.
И, наконец, ОБВАЛЬНЫЕ землетрясения происходят в результате
больших и мощных обвалов и оползней. Из всей массы ежегодно
регистрируемых современными приборами землетрясений (порядка 100
тыс.) только 10% ощущаются человеком и лишь 0,1% носят
разрушительный характер.
Верхняя часть литосферы – ЗЕМНАЯ КОРА, внешняя твёрдая
оболочка (сфера) Земли. Земная кора делится на КОНТИНЕНТАЛЬНУЮ
и ОКЕАНИЧЕСКУЮ плиты.
КОНТИНЕНТАЛЬНАЯ плита имеет толщину порядка 30-40 км (а под
горами до 70 км). Ниже уровня осадочных пород она распадается на
гранитный (верхний) и базальтовый (нижний) слои, имеющие примерно
одинаковую толщину.
ОКЕАНИЧЕСКАЯ плита более тонкая. Её толщина составляет около
10 км, а по своему составу она ближе к базальтовому слою
континентальной плиты. Она более подвижна и постоянно обновляется.
Хотя земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям,
в её структуре выделяют не только подвижные области –
ГЕОСИНКЛИНАЛИ, но и относительно спокойные участки –
ПЛАТФОРМЫ.
95
Большая часть ГИДРОСФЕРЫ (около 63%) сосредоточена в
Мировом океане, который помимо пяти океанов (Тихого, Атлантического,
Индийского, Северного Ледовитого и Южного) включает в себя все моря,
проливы и заливы. Мировой океан покрывает 70,8% поверхности Земли (в
Северном полушарии около 61%, а в Южном – около 81%). Средняя
глубина океанов - 3711 м, а средняя температура их поверхностных вод
приблизительно равна 17,50 С. В их водах в растворённом виде находится
большинство химических элементов, среди которых преобладают хлор
(19,35%) и натрий (10,76%). Поэтому велика их солёность, достигающая в
среднем 35 г на 1 кг воды.
Доля пресных вод в гидросфере ничтожно мала и составляет всего
0,05%. Эти воды находятся во взаимозависимости с водами Мирового
океана, которая реализуется в виде водного баланса и влагооборота Земли.
Под ВОДНЫМ БАЛАНСОМ понимается соотношение количества воды,
выпадающей на поверхность Земли в виде осадков, и количества воды,
испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши, а под
ВЛАГООБОРОТОМ – непрерывный процесс перемещения воды главным
образом между атмосферой и поверхностью Земли. Сюда же включим
испарения, перенос водяного пара и его конденсацию в атмосфере,
выпадение осадков, их инфильтрацию и сток с суши в водоёмы.
АТМОСФЕРА (от греч. atmos
– пар) Земли образует,
простирающуюся более чем на 2000 км вверх от её поверхности газовую
(воздушную) оболочку. Она состоит из газов, влаги и частиц пыли. Вблизи
земной поверхности она содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,92%
аргона и 0,03% углекислого газа. Доля же остальных газов – водорода,
гелия, метана, озона и др. не превышает здесь 0,01%.
Земная атмосфера защищает от метеоритов, радиации, дает воздух
для всего живого.
В атмосфере принято выделять ПЯТЬ различных СЛОЁВ:
ТРОПОСФЕРУ, СТРАТОСФЕРУ, МЕЗОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ и
ЭКЗОСФЕРУ.
ТРОПОСФЕРА – это нижний слой атмосферы толщиной до 10 км у
высоких широт и до 18 км у экватора.
СТРАТОСФЕРА простирается от 8-10 км над полярными областями и
от 16-18 км (до 50-55 км) над экватором. Она отличается от тропосферы
возрастанием температуры с высотой (от -800 С над высокими широтами до
температур, близких к 00 С).
На высоте 20-25 км, в верхних слоях стратосферы, сосредоточена
основная масса атмосферного озона - озоновый слой, который поглощает
опасную для жизни коротковолновую ультрафиолетовую радиацию
Солнца, предохраняя тем самым живые организмы от её вредного влияния.
96
МЕЗОСФЕРА (от греч.mesos – средний, промежуточный) – слой
земной атмосферы, характеризующийся резким падением температуры от
00С у её нижней границы до -900 С у верхней.
ИОНОСФЕРА (термосфера) (от греч. thermos – тёплый, горячий)
простирается до высоты 800 км и отличается резким возрастанием
температуры с увеличением высоты. На высоте 100 км от поверхности
температура - 00 С, а на высоте 200-300 км она достигает 15000 С, а у
верхней границы – до 20000 С.
Испытывая воздействие ультрафиолетовых лучей, солнечного и
космического излучений,
атомы газов ионосферы превращаются в
катионы и анионы. Происходит ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ в АТМОСФЕРЕ.
Газ, состоящий из ионов, или содержащий их в достаточном количестве,
чтобы
стать
электрически
заряженным,
называется
ИОНИЗИРОВАННЫМ.
Поэтому
эту
сферу
стали
называть
ИОНОСФЕРОЙ.
С ионизацией газов атмосферы связано полярное или северное
сияние. Проникая в атмосферу из космоса и отклоняясь под действием
магнитного поля Земли в сторону высоких широт, заряженные солнечные и
космические частицы могут усиливать процесс ионизации атмосферных
газов до такой высокой степени, при которой начинается их свечение.
ЭКЗОСФЕРА (от греч. exo – вне, снаружи) - это верхняя часть
земной атмосферы, следующая за ионосферой на высоте 800 км и
простирающаяся до высоты 2000 км и более. Это наружный, сильно
разряжённый слой атмосферы Земли. Здесь преобладают атомы и
молекулы лёгких газов, преимущественно водорода, а температура
достигает 20000С. В экзосфере атомы водорода могут освободиться от
земного притяжения, покидать пределы Земли и вылетать в открытый
космос. Поэтому экзосфера получила также название сферы рассеивания.
ГЕОКОРОНА - самая внешняя оболочка атмосферы Земли. Она
простирается от нескольких десятков до сотен тысяч км от поверхности
нашей планеты, и состоит в основном из атомарного водорода.
Наряду с атмосферой земной шар опоясывают ещё и ФИЗИЧЕСКИЕ
ПОЛЯ Земли, а именно: её гравитационное и тесно взаимодействующие
между собой магнитное и электрическое поля.
Наша планета, как и любое материальное тело, подчиняется закону
всемирного тяготения и поэтому обладает гравитационным полем. Она
также представляет собой намагниченный шар, магнитная ось которого
наклонена относительно оси его вращения на 11,5 градуса, но, в отличие от
оси вращения, не проходит через его центр. Отсюда следует, что
магнитные полюсы Земли а) не совпадает с географическими полюсами, б)
не находятся в диаметрально противоположных точках земной
поверхности. На полюсах Земли значение геомагнитного поля примерно в
97
два раза больше, чем на экваторе. А сила этого поля в Северном полушарии
несколько больше, нежели в Южном полушарии.
По сравнению с гравитационным полем, магнитное поле Земли
является более слабым и в известном смысле может быть локализовано.
Областью его локализации выступает МАГНИТОСФЕРА.
МАГНИТОСФЕРА Земли - это околоземная среда, заполненная
разряжённой плазмой (от греч. plasma - вылепленное, оформленное) вещество, пребывающее в сильно ионизированном состоянии с примерно
равной концентрацией отрицательно и положительно заряженных
частиц и, поэтому в целом, плазма остаётся электрически нейтральной.
Подавляющая часть вещества Вселенной находится в плазменном
состоянии.
Магнитосферу условно делят на две части: внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя часть ГЕОМАГНИТНАЯ ЛОВУШКА, в которой
геомагнитное поле удерживает заряженные частицы, курсирующие от
одного магнитного поля к другому.
Внешняя часть магнитосферы Земли охватывает силовые линии
геомагнитного поля, которые под давлением солнечных заряженных частиц
вытягиваются, образуя с ночной стороны Земли сравнительно длинный
магнитный хвост (шлейф).
Геологическое время.
Возраст Земли оценивается в 4,7 млрд лет. Это, однако, не значит, что
она столько лет существует в нынешнем виде. Её современный вид и
нынешнее состояние – это результат длительной, продолжавшейся
миллиарды лет ЭВОЛЮЦИИ. Идея эволюции оказала революционное
влияние на развитие геологического знания, стала одной из
основополагающих идей современной геологии. Благодаря ей стало
возможным говорить о геологическом времени и моделировать
геологическое прошлое.
Для определения геологического времени были разработаны различные
методы (способы). Среди них основными оказались ТРИ МЕТОДА:
ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ,
БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЙ
и
РАДИОЛОГИЧЕСКИЙ.
ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ метод был предложен ещё в 1669 году
датским естествоиспытателем и врачом Нильсом Стено (1638-1686).
Метод состоит в том, чтобы а) рассматривать слоистую структуру
осадочных пород земной поверхности в качестве своеобразной шкалы
геологического времени, б) считать нижележащий слой породы старшим
по сравнению с вышележащим.
БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЙ метод был предложен позднее
английским инженером Уильямом Смитом (1769-1839), который
выдвинул идею о том, что возрасты осадочных пород могут быть
98
сопоставлены и сравнимы между собой на основе содержащихся в них
остатков ископаемых организмов. Подобным образом он составил в 18131815 годах первую геологическую карту Англии с разделением горных
пород по их возрасту. Идея У.Смита легла в основу установления
геологического времени.
Таким образом, литологический и биостратиграфический способы
определения геологического времени могут устанавливать не абсолютный,
а лишь относительный возраст осадочных пород в сравнительной степени
«старше – моложе».
РАДИОЛОГИЧЕСКИЙ метод может дать абсолютный возраст
исследуемого объекта. Этот метод был предложен в начале ХХ века
французским физико-химиком Пьером Кюри (1859-1906) и английским
физиком Эрнестом Резерфордом (1871-1937). Он основывается на
радиоактивном распаде, точнее - ПЕРИОДЕ ПОЛУРАСПАДА. Согласно
данной закономерности каждый радиоактивный элемент (изотоп) имеет
строго определённый промежуток времени, по истечению которого его
количество, изначально содержащееся в некотором веществе, уменьшается
вдвое. Используя данные о периоде полураспада соответствующего
радиоактивного элемента (изотопа) и его количестве, наличествующем в
данное время в некотором веществе, можно вычислить абсолютный возраст
этого вещества.
Для измерения геологического времени обычно пользуются одним из
следующих вариантов радиологического метода: рубидий – стронциевым,
ураново-свинцовым и калий-аргоновым. Дело в том, что радиоактивные
элементы – рубидий и уран, а также радиоактивный изотоп калия имеют
очень большие периоды полураспада, сравнимые с возрастом древних
геологических пород. Так, например, калий, который содержится в
большинстве геологических пород и во многих минералах,
самопроизвольно распадается, обращаясь в аргон с периодом полураспада
1,28 млрд. лет.
Радиоактивный изотоп углерода (С14) имеет период полураспада 5730
лет. Однако в живом организме его количество все время пополняется, так
как живое органическое вещество усваивает углерод-14, образовавшийся в
результате космического излучения. Понятно, что в момент смерти
организма это усвоение радиоактивного углерода прекращается, и
содержание углерода-14, оставшись без пополнения, будет убывать в
организме со скоростью полураспада. Исходя из этого, стали применять
РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД как самый удобный и точный способ
датировки ископаемых органических останков и археологических
артефактов.
Концепции геологической истории.
Идея эволюционизма пробивала себе путь в геологию вместе с
формированием различных, сменяющих друг друга геологических
99
концепций: НЕПТУНИЗМ, ПЛУТОНИЗМ, КАТАСТРОФИЗМ (теория
катастроф), УНИФОРМИЗМ, ЭВОЛЮЦИОНИЗМ, МОБИЛИЗМ и
ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ.
НЕПТУНИЗМ (от лат. Neptunus в римской мифологии
первоначально бог источников и рек, отождествлённый позднее с
древнегреческим Посейдоном, богом морей) представляет собой
популярную в концеХVIII – начале ХIХ столетий геологическую
концепцию, основанную А.Вернером (1750-1817) и утверждавшую
происхождение всех горных пород из вод, некогда покрывавших всю
Землю, из вод Мирового океана, вод «всемирного потопа». Концепция
нептунизма к началу второй четверти ХIХ столетия потеряла свою
привлекательность и значимость и сошла на нет.
ПЛУТОНИЗМ (от греч. Pluton - в древнегреческой мифологии бог
подземного мира и царства мёртвых), напротив, признавал изменчивость
земной коры под воздействием внешних факторов (воды, организмов и т.
д.) и внутренних сил (вулканов, землетрясений, тектонических движений)
при ведущей роли этих последних. Наиболее полно данная концепция была
представлена в работе шотландского геолога Джеймса Геттона (17261797) «Теория Земли».
КАТАСТРОФИЗМ. Французского зоолога и теолога Жоржа Кювье
(1769-1832) не удовлетворяли ни нептунизм, ни плутонизм, поскольку они
не могли объяснить смену фаун и флор, наблюдаемых в геологических
слоях. Для объяснения данного феномена Кювье в 1812 году разрабатывает
свою «теорию катастроф». Согласно этой концепции, в истории Земли
периодически
повторяются
внезапные
грандиозные
катаклизмы
(катастрофы). Они изменяют первичное горизонтальное залегание
геологических пластов, форму рельефа Земли, уничтожают все живые
организмы. К концу ХIХ столетия данное представление об истории Земли
утратило своё значение.
УНИФОРМИЗМ в противоположность катастрофизму, (от лат. uniformis – единообразный) вводит принцип однообразности истории Земли,
унифицируя, таким образом, геологические эпохи. С этих позиций прошлое
Земли предстаёт в точности таким же, как и её настоящее. При дальнейшем
развитии геологии униформизм был отвергнут и заменён принципом
актуализма.
АКТУАЛИЗМ (от лат. actualis – фактически существующий,
действительный, настоящий) как научный принцип в геологии был
предложен в первой половине ХIХ века английским геологом Чарльзом
Лайелем (1797-1875), который в противовес катастрофизму выдвинул идею
о медленном (постепенном) и непрерывном изменении поверхности Земли
под
действием
постоянных
геологических
сил.
Согласно
актуалистическому
сравнительно-историческому
методу,
изучая
100
современные геологические процессы, можно судить об аналогичных
процессах далёкого прошлого.
К началу ХХ столетия позиции эволюционизма завоёвывают
передовые рубежи в геологии, вытесняя оттуда нептунизм, плутонизм,
катастрофизм и униформизм.
Позиции эволюционизма ещё более укрепляются за счёт гипотезы
мобилизма, выдвинутой немецким физиком Альфредом Вегенером (18801930). Он предложил и пропагандировал гипотезу дрейфа континентов.
Вегенер связал воедино совпадения очертаний береговых линий материков,
продолжение геологических пород возрастом более 180 млн. лет за
пределы континентов, совпадение направлений намагниченности
предполагаемых разломов, сведения о распространении геологических
видов и климатических зон. Ученый доказал, что жизнь суперконтинента
длится около 100 млн. лет. Океаны, образующиеся при расколе
суперконтинента, не могут существовать более 400 млн. лет. Таким
образом, каждые 500 млн. лет все континенты собираются в единый массив
суши.
МОБИЛИЗМ (от лат. mobilis – подвижный) – это геологическая
концепция, предполагающая большие (до нескольких тысяч км)
горизонтальные перемещения крупных литосферных плит. По мере
накопления научных данных, мобилизм трансформируется в т. н. НОВУЮ
ГЛОБАЛЬНУЮ ТЕКТОНИКУ, которая, по существу, представляет собой
современный вариант гипотезы мобилизма, т. е. неомобилизм.
Неомобилизм
показал
несостоятельность
ФИКСИЗМА
–
геологической гипотезы, признающей незыблемость (фиксированность)
положений континентов на земной поверхности. Он ещё в большей степени
укрепляет
позиции
геологического
эволюционизма,
фактически
трансформируя его в концепцию глобальной эволюции Земли, согласно
которой в едином процессе эволюции находятся все оболочки нашей
планеты, все геосферы. Данная концепция ведёт к важным структурным
изменениям в геологии, которая начинает теснее взаимодействовать с
физикой, химией, биологией и некоторыми другими естественными
науками. Можно сказать, что в последние десятилетия ХХ столетия
геология вступила в качественно новую фазу своего развития. Современная
геология уже не может решать многие вопросы, связанные с процессами,
происходящими в земном ядре, магнитосфере Земли, других геосферах без
привлечения и использования данных квантовой механики, квантовой
электродинамики, теории элементарных частиц, неклассической химии и
других отраслей современной (неклассической) науки. Это значит, что сама
геология становится неклассической наукой.
ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ - система принципов, ставших
основной доминантой синтеза знаний в современной науке. Это та
стержневая идея, которая пронизывает все существующие специальные
101
научные картины мира и является основой построения целостной
общенаучной картины мира, центральное место в которой занимает
человек. В этом случае общенаучная картина мира как глобальная
исследовательская программа в состоянии подсказать, какие методы и
принципы могут быть транслированы из одной науки в другую, как
осуществить состыковку знаний, полученных в различных отраслях
науки, как включить это знание в культуру на соответствующем этапе
функционирования научного знания. Задавая стратегию исследования
саморазвивающихся объектов в рамках конкретных научных дисциплин и
обеспечивая стратегию междисциплинарных исследований, удельный
вес которых возрастает в современной науке, общенаучная картина мира
берет на себя многие функции, которые ранее выполняли специальные
научные картины мира. Последние же утрачивают свою прежнюю
автономию, трансформируются под влиянием системно-эволюционных
идей и включаются в качестве фрагмента в общенаучную картину мира, не
претендуя уже на особый самостоятельный статус.
Лекция 17. Биологические концепции
Понятие жизни. Концепции происхождения жизни на Земле.
Биология – это совокупность наук о живой природе, изучающих
строение, функции, происхождение и распространение живых организмов
(как вымерших, так и ныне существующих на Земле), выявляющих
взаимосвязи этих организмов друг с другом и с окружающей их природой и
раскрывающих частные и общие закономерности их существования и
развития
(обмен
веществ,
наследственность,
изменчивость,
приспособляемость, раздражимость, размножение, рост и т.д.).
Согласно креационизму жизнь рассматривается как божественное
творение. Бог как высший создатель творит весь мир, в том числе и всех
живых существ, включая человека. Следовательно, жизнь имеет не
естественное, а сверхъестественное, божественное происхождение.
Христианские теологи утверждают, что в результате зачатия появляется
только тело, а душа создается Богом из ничего и им же соединяется с
телом.
В 1650 году архиепископ Ашер из г.Арма (Ирландия) вычислил, что
Бог сотворил мир в октябре 4004 года до н.э. и закончил свой труд 23
октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив
возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до
Христа. С точки зрения арифметики это логично, однако получается, что
Адам жил в то время, когда, как показывают археологические раскопки, на
Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.
Витализм представляет собой идеалистическое биологическое учение,
в соответствии с которым жизнь и все ее проявления объясняются
102
нематериальным, сверхъестественным, иррациональным и неизменным
началом – жизненной силой, обозначаемой через такие понятия как
«энтелехия», «душа», «жизненный импульс» и др. Элементы витализма
можно найти еще в представлениях Платона и Аристотеля. В эпоху
Возрождения врач Теофраст Парацельс (1493-1541) формирует общее
положение, которое впоследствии легло в основу витализма как
биологического течения. Согласно данному положению, все существа
рассматриваются
как
продукт
соединения
видимого
земного
(материального) тела и ненаблюдаемого небесного жизненного духа,
названного Парацельсом «археем» (от греч. Arhaios – зачинщик). Идею
Парацельса развивает далее врач Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (15771644). Он разрабатывает виталистическую концепцию природы, в основу
которой в качестве исходного принципа кладет архей как
жизнеформирующую силу.
Многие ученые и мыслители прошлого не могли удовлетвориться ни
креационизмом, ни витализмом, поскольку полагали, что жизнь по своей
сущности и происхождению представляет собой естественное, а не
сверхъестественное явление.
Самопроизвольное (спонтанное) зарождение жизни. Эта концепция
идет еще от Аристотеля. Согласно этой концепции, живое в своих
простейших формах самопроизвольно появляется (само собой зарождается)
в гниющей материальной субстанции (гниющая земля, разлагающиеся
продукты – мясо, овощи, фрукты и т. д.). Аристотель полагал, что
определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало»,
которое при подходящих условиях может создать живой организм. В
защиту идеи самозарождения жизни выступали также Парацельс, Гарвей,
Коперник, Галилей, Декарт и др.
В 1668 году флорентийский врач Франческо Реди (1626-1697) провел
эксперимент, который заставил его отказаться от концепции
самозарождения жизни и сформулировать принцип, согласно которому
живое может возникать только из живого. «Убежденность была бы
тщетной, если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в
середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил
в один из них змею, в другой – немного рыбы, в третий – угрей из Арно, в
четвертый – кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал.
Затем я поместил тоже самое в четыре других сосуда, оставив их
открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервили;
можно было видеть как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из
них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло
много дней, после того как в них была положена дохлая рыба».
Принцип Реди впоследствии лег в основу биогенеза, согласно
которому между живой и неживой природой существует непереходимая
грань и поэтому живое может происходить только от живого.
103
Следовательно, концепция биогенеза фактически постулировала идею
вечности жизни.
В конце XVII века появились первые микроскопические исследования
Антона ван Левенгука (1632-1723). Его микроскопические исследования
подтверждали принцип Реди.
В 1765 году Ладзаро Спалланцани (1729-1799) провел следующий
опыт. Он подверг мясные и овощные отвары кипячению в течение
нескольких часов и сразу же их запечатал, после чего снял с огня.
Исследовав жидкости через несколько дней, он не обнаружил в них
никаких признаков жизни. Их этого факта Спалланцани сделал вывод, что
высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них
ничто живое уже не могло возникнуть.
В 1860 году французский ученый-микробиолог Луи Пастер (18221895)
экспериментально
доказал
несостоятельность
концепции
спонтанного самозарождения жизни. Он поставил серию опытов, в которых
убедительно показал, что в достаточно надежно изолированном от внешней
среды стерильно чистом растворе жизнь не возникает. Следовательно, в
питательной среде живые организмы могут появляться только из их яиц,
личинок или каких-нибудь иных зародышей, заранее попавших туда какимто образом. Данный факт был использован для трансформации принципа
Реди в принцип Реди-Пастера.
Однако, опыты Пастера не преследовали цели отвечать на вопрос об
источнике жизни вообще и о том, существует ли на самом деле пропасть
между живой и неживой материей.
В 1865 году немецкий ученый Г.Рихтер выдвигает концепцию
«панспермии», где он возрождает идею о вечности жизни и ее
повсеместной распространенности во Вселенной. Согласно этой гипотезе,
жизнь не зарождалась на Земле, а была занесена на нашу планету из
космоса. Представители этой гипотезы полагают, что зародыши
простейших организмов могли попасть на Землю вместе с метеоритами и
другими космическими объектами, или же их споры под действием
давления света могли достичь Земли и таким образом положить начало
биологической эволюции, в результате которой появляется наблюдаемое
сегодня многообразие живой природы. При изучении материала
метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники
живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и ряд
органических соединений и объектов, напоминающих примитивные формы
жизни.
В защиту концепции панспермии выступили такие крупные ученые,
как немецкий физик Герман Гельмгольц (1821-1894), шведский физик и
химик Сванте Аррениус (1859-1927) и др. Однако, после открытия
космических излучений и установления губительного для живых
организмов действия радиации подавляющее большинство ученых стали
104
скептически смотреть на гипотезу панспермии, и она утратила свое
значение. Теорию панспермии нельзя считать теорией возникновения
жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в
какое-то другое место Вселенной.
Теория стационарного состояния (или теория этернизма)
созданная в 1880 году немецким ученым В.Прейером (1841-1897), исходит
из идеи вечности жизни. Согласно данной концепции, Земля и жизнь на
нашей планете никогда не зарождались, а существовали всегда. При этом
утверждается, что ни сама Земля, ни жизнь на ней не претерпевали никаких
изменений, а всегда существовали в том неизменном виде, в котором мы их
наблюдаем сегодня. Виды также никогда не возникали, они существовали
всегда. У каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение
численности, либо вымирание. Наличие ископаемых останков указывает на
время вымирания того или иного вида.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит
данным современной астрономии, которые указывают на конечное время
существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг
звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей
радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы
исчисляется примерно 4,6 млрд. лет.
Среди критиков идеи вечности жизни был Ф.Энгельс (1820-1895),
полагавший, что предположение о вечности белка и вечности первичных
форм жизни недопустимо, так как оно противоречит принципу развития.
Энгельс определял жизнь как способ существования белковых тел. Он
высказывал мысль о происхождении жизни из неорганической природы
путем естественного химического синтеза. Энгельс считал, что
положившие начало биологической эволюции простейшие белковые тела
при благоприятных условиях синтезируются из неорганических веществ.
Теория биохимической эволюции А.И.Опарина.
Идея возникновения жизни на Земле путем химического синтеза из
неорганической природы легла в основу выдвинутой в 1922 году советским
биохимиком А.И.Опариным (1894-1980) гипотезы. В данной гипотезе
предполагается, что под воздействием электрических разрядов,
ультрафиолетовых лучей, тепловой энергии и прочих естественных
факторов в первичной атмосфере и гидросфере нашей планеты из
неорганических веществ были синтезированы простейшие органические
соединения, которые положили начало эволюции углеводородов. Эта
эволюция привела к появлению сложных высокомолекулярных
органических соединений (аминокислот, нуклеотидов и их полимеров),
которые в свою очередь способствовали образованию в «первичном
бульоне» земной гидросферы (мировом океане) «коацерватных капель».
Коацерватные
капли
представляют
собой
высокомолекулярные
органические соединения, которые имеют сложные внутренние структуры,
105
позволяющие им определенным образом реагировать на изменения
внешней среды. Эти капли представляют тот рубеж, где химическая
эволюция вплотную подводит к эволюции биологической, начинает в нее
перерастать.
Что же касается самой биологической эволюции, то она начинается с
простейших анаэробных форм жизни и лишь впоследствии, по мере
насыщения первичной земной атмосферы свободным кислородом, она
приводит к возникновению аэробов.
Анаэробы – простейшая биологическая форма, существующая без
свободного кислорода (воздуха).
Аэробы – это организмы, которые могут существовать только при
наличии свободного молекулярного кислорода.
Жизнь, согласно Опарину, материальна по своей природе; это особая,
качественно отличная от неорганического мира форма движения
материи. При этом ее возникновение «не является какой-то счастливой
случайностью, а представляет собой вполне закономерное событие,
неотъемлемую составную часть общей эволюции Вселенной».
В 1953 году американский ученый Стэнли Миллер (1930-2007)
провел ряд опытов и показал, что при помощи электрических разрядов,
пропущенных чрез газовую смесь водорода, аммиака и метана можно из
данной смеси получить сложные органические соединения, такие, как
сахара (рибоза), жирные кислоты или аминокислоты (аденин). Позднее в
лабораторных
условиях
были
искусственно
синтезированы
высокомолекулярные
органические
вещества
из
исходных
низкомолекулярных соединений.
Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет
нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических
веществ к простым живым организмам. Опарин полагал, что решающая
роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам (коацерватным
каплям).
Предполагалось,
что
коацерваты
способны
к
самовоспроизведению и перестройке. Самое трудное для этой теории –
объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению.
Жизнь возникла лишь тогда, когда начал действовать механизм
репликации (т. е. механизм копирования генетического материала). Любая
сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных
органических соединений – это еще не живой организм.
Предположим, что при каких-то исключительно благоприятных
обстоятельствах где-то на Земле возникла «пра-ДНК», которая и
послужила началом всему живому на Земле. Но даже современная ДНК
сама по себе является совершенно беспомощной. Она может
функционировать только при наличии белков-ферментов, которых должно
быть более 100 и которые тоже должны были как-то случайно возникнуть.
Верить во все это – значит верить в чудо. Один из основоположников
106
современной молекулярной биологии проф. Фрэнсис Крик на
Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 г. сказал: «Мы не видим пути от
первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что
происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем
незнании».
К важнейшим существенным признакам живого необходимо отнести
следующее:
1.
Обмен веществ, энергии и информации.
2.
Раздражимость. Живой организм соответствующим образом
реагирует на любые воздействия окружающей среды, видоизменяя при
этом свое состояние или свою деятельность. Реакция организма отличается
активностью, избирательностью и целенаправленностью.
3.
Гомеостазис. Живой организм характеризуется динамическим
постоянством состава и свойств своей внутренней среды (постоянство
температуры тела, кровяного давления, содержания глюкозы в крови и др.),
которого он достигает при помощи сложных приспособительных реакций.
4.
Способность к размножению (репродуктивность). Живому
организму имманентно присуща способность к воспроизведению себе
подобных. Именно она обеспечивает непрерывность и преемственность
жизни. Основные способы репродуктивности живого: бесполый и половой.
5.
Рост.
Живой
организм
способен
к
постоянному
самообновлению и росту.
6.
Изменчивость и развитие. Количественные изменения особей
как правило ведут к их качественным изменениям, в результате которых
появляются новые биологические формы (виды, подвиды и т. д.).
7.
Движение в пространстве. Живой организм меняет свое
местонахождение в пространстве для того, чтобы обеспечить себе
необходимые для своей жизнедеятельности условия.
8.
Приспособляемость. Живой организм вынужден перестраивать
свое строение, свои функции, чтобы они лучше соответствовали условиям
окружающей среды.
9.
Наследственность. Живой организм повторяет в ряду
поколений характерные для его предков признаки. Эти признаки
передаются ему через материальные единицы наследственности – гены,
которые локализованы в специфических структурах ядра клетки –
хромосомах.
10.
Основной биогенетический закон. В своем индивидуальном
развитии, т.е. в онтогенезе живой организм в сжатой форме и общих
чертах повторяет основные этапы исторического развития мира организмов
(органического мира) – филогенеза.
Онтогенез обозначает индивидуальное развитие организма, то есть
всю совокупность претерпеваемых им изменений и преобразований от
момента зарождения до смерти.
107
Филогенез выражает историческое развитие мира организмов, их
видов, родов, семейств, отрядов, классов, типов, царств и надцарств.
Данная закономерность была сформулирована в 1866 году немецким
биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем.
11.
Естественный отбор и борьба за существование. Живой
организм должен в жестокой конкуренции доказать свою биологическую
состоятельность и жизнеспособность. В противном случае его ждет
неминуемая гибель.
Все перечисленные выше признаки в своей совокупности
представляют сущность жизни как уникального явления на нашей
планете. Поэтому можно определить жизнь как способ существования
белковых тел и аминокислот, который характеризуется всеми
вышеуказанными признаками.
Лекция 18. Становление и развитие генетики
Исследования австрийского аббата и естествоиспытателя Георга
Иоганна Менделя (1822-1884) были проведены еще при жизни Дарвина,
но остались незамеченными научным сообществом того времени.
Идеи Менделя положили начало науке генетике. Результаты
исследований Менделя были обобщены в виде трех законов
наследственности в работе «Опыты над растительными гибридами»
(1866). Обобщая результаты опытов по скрещиванию гороха, Мендель
установил три следующих закона распределения в потомстве признаков,
наследуемых у родителей:
а) закон единообразия гибридов первого поколения;
б) закон расщепления гибридов второго поколения и
в) закон независимого комбинирования (расщепления).
Согласно первому закону, из двух альтернативных родительских
признаков при скрещивании в гибридах первого поколения проявляется
только один из них. Так, при скрещивании гороха с желтыми семенами и
гороха с зелеными семенами все гибриды первого поколения оказываются
с желтыми семенами. Родительский признак, преобладающий у гибридов–
потомков, Мендель назвал доминантным (от лат. dominas
господствующий), а противоположный ему, не проявляющийся в
потомстве признак – рецессивным (от лат. recessus – отступление).
Производя скрещивание гибридов первого поколения, Мендель
обнаружил, что среди их потомков появляется особь с ранее не
проявившимся (рецессивным) признаком. Это означало, что в гибридах
первого поколения рецессивный признак не исчезает совсем, а просто
переходит в скрытую фазу своего существования и при первой же
возможности может проявиться вновь. Данный факт привел Менделя к
выводу о существовании в половых клетках организма постоянных
108
дискретных единиц наследственности. Эти постоянные дискретные
единицы наследственности в 1909 году были названы датским биологом
Вильгельмом Иогансеном (1857-1927) генами (от греч. – genos –
происхождение). В 1903 году Иогансен вводит понятие генотип (от греч.
genos и греч. typos – отпечаток, форма, образец) для обозначения всех генов
организма и свойств (признаков) последнего.
Мендель показал, что в гаметах (половых клетках) присутствует
только один наследственный фактор, тогда как в клетках гибридных
растений таких факторов два. Позднее в 1926 году Иогансен предложил
обозначать каждый из таких факторов термином аллель (от греч. allelon –
взаимно).
Под аллелем стали понимать один из пары (или нескольких) генов,
определяющих варианты развития одного и того же признака.
Иначе говоря, под аллелем понимают различные формы
(модификации) одного и того же гена, расположенные в одинаковых
участках гомологичных (парных) хромосом.
В нормальной диплоидной клетке (клетке с двумя гомологичными
наборами хромосом; диплоидными являются все клетки, кроме половых)
может присутствовать не более двух аллелей одновременно. Если в зиготе
(оплодотворенной клетке) соединяются два одинаковых аллеля, то
оплодотворенная яйцеклетка называется гомозиготой. При объединении в
зиготе двух различных аллелей она будет гетерозиготной. Термины
«гомозигота» и «гетерозигота» введены в 1902 году английским
биологом Уильямом Бетсоном (1861- 1926), который, кстати, ввел и сам
термин «генетика».
Мендель
ввел
буквенные
обозначения
альтернативных
наследственных факторов. Фактор, ответственный за доминантный
признак через прописную латинскую букву (например, «А»), а фактор,
отвечающий за рецессивный признак – через строчную букву (например,
«а»). Далее были введены обозначения: «Р» - родители, «F» - потомки, «Х»
- скрещивание и др.
Второй закон Менделя констатирует расщепление как
закономерность распределения среди гибридов (особей второго поколения)
особей с доминантными и рецессивными признаками. Подвергая особи
первого поколения скрещиванию, Мендель установил, что среди их
потомков появляются особи с обоими альтернативными признаками. Он
вывел закон расщепления, согласно которому при скрещивании двух
гетерозиготных (гибридных) особей, различающихся между собой одной
парой альтернативных признаков, в их потомстве происходит
расщепление в отношении 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.
Данную закономерность можно продемонстрировать следующим
образом. Среди гибридов второго поколения мы имеем по фенотипу 3
особи с доминантным (желтым) признаком (АА, Аа, Аа) и 1 особь с
109
рецессивным (зеленым) признаком (аа), а по генотипу – 1 особь с парой
одинаковых генов, определяющих доминантный признак (АА), 2 особи с
парой альтернативных генов (Аа) и 1 особь с парой одинаковых генов,
определяющих рецессивный признак (аа).
В последующих гибридных поколениях доля гибридных форм от
поколения к поколению уменьшается, а доля особей с нерасщепляющимися
признаками, наоборот, возрастает.
Третий закон Менделя сформулирован на основе опытов по
скрещиванию
дигибридных
(отличающихся
двумя
различными
признаками) особей. Все особи первого поколения являются
единообразными, а в дигибридах второго поколения происходит
расщепление в определенном соотношении и случайная перекомбинация
признаков исходных форм. Так, например, при скрещивании сорта гороха с
желтыми и гладкими семенами (АА ВВ) и другого сорта гороха, имеющего
зеленые морщинистые семена (аа вв) получается следующее потомство.
Потомство первого поколения является единообразным как по фенотипу
(все особи обладают желтой окраской и круглой гладкой формой), так и по
генотипу (каждая особь содержит весь набор родительских генов).
Потомство второго поколения разнообразно и его особи распределяются
следующим образом: происходит расщепление по генотипу в отношении
1:2:2:4:1:2:1:2:1, а по фенотипу в отношении 9:3:3:1.
Мендель формулирует третье правило передачи признаков по
наследству, согласно которому различные родительские гены наследуются
потомством независимо друг от друга.
Из трех правил Менделя вытекает общая закономерность, согласно
которой при увеличении числа признаков (пар генов) родителей на n число
их гамет увеличивается на 2n, количество комбинаций между признаками
увеличивается на 4n, число генотипов увеличивается на 3n и число
фенотипов – на 2n.
Три закона Менделя в дальнейшем получают существенное
дополнение в виде закона Харди-Вайенберга. Согласно закону ХардиВайенберга (1908 г.), популяция при свободном случайном скрещивании не
меняет свою генетическую структуру, стало быть, пребывает в
состоянии генетического равновесия вследствие постоянства частоты
появления генотипов. Этот закон справедлив только для не встречающейся
в природе идеальной, не подвергающейся воздействию отбора, мутации и
др. факторов популяции.
Что же касается реально существующих в природе популяций, то они
подвержены влиянию эволюционной изменчивости. Под изменчивостью
понимается способность организмов изменяться под влиянием как
наследственных, так и ненаследственных факторов. Различают
наследственную изменчивость и ненаследственную изменчивость –
модификационную.
110
Модификационная изменчивость суть изменения, происходящие под
воздействием внешних условий и не влияющие на характер генотипа. Она
носит обратимый характер и выполняет адаптивную функцию.
Изменчивость, вызываемая наследственными факторами, имеет
ряд форм: онтологическая изменчивость, комбинативная изменчивость,
коррелятивная изменчивость и мутационная изменчивость.
Онтологическая изменчивость – это последовательные изменения
признаков особи в процессе ее индивидуального развития, в ходе которого
реализуется полученная ею от родителей наследственная информация.
Комбинативная изменчивость – изменения, возникающие в
результате перекомбинации признаков родительских форм (третий закон
Менделя – закон независимого комбинирования).
Коррелятивная изменчивость – это относительные изменения
признаков, при которых один из них меняется вместе с преобразованием
других. Например, при возрастании живой массы коров возрастает удой, а
при возрастании удоя уменьшается жиромолочность.
Мутационная изменчивость – это внезапные изменения отдельных
признаков или их комплексов, имеющие своим источником воздействие
мутагенных факторов на наследственный аппарат клетки.
Мутации бывают спонтанными, вызванными естественными
факторами без вмешательства человека в процесс мутагенеза, и
индуцированными, т. е. искусственно инициированными человеком.
Мутации классифицируют по фенотипу и по генотипу.
По фенотипу мутации разделяют на гипоморфные, аморфные,
антиморфные и неоморфные.
Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление
признака, контролируемого патологическим геном, ослаблено по
сравнению с признаком, контролируемым нормальным геном. К таким
мутациям относятся, например, многочисленные мутации синтеза
пигментов.
Аморфные мутации.
Это состояние, при котором признак,
контролируемый патологическим геном, не проявляется, так как
патологический ген не активен по сравнению с нормальным геном. К таким
мутациям относится ген альбинизма.
Антиморфные мутации.
В этом случае значение признака,
контролируемого патологическим геном, противоположно значению
признака,
контролируемого нормальным геном. К таким мутациям
относятся около 5-6 тысяч аутосомно-доминантных заболеваний.
Неоморфные мутации. О такой мутации говорят, когда признак,
контролируемый патологическим геном, будет иного (нового) качества по
сравнению с признаком, контролируемым нормальным геном. Например,
синтез в организме новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение
чужеродных антигенов.
111
По генотипу мутации разделяют на
генные, хромосомные и
геномные.
Генные мутации связаны с изменением молекулярной структуры
гена, с нарушением специфической последовательности нуклеотидов
внутри него.
Хромосомные мутации обусловлены разрывами и последующими
перестройками хромосом.
Геномные мутации вызываются изменением числа хромосом в
клетке.
Термин «мутация» (от лат. mutatio – изменение, перемена)
принадлежит Х.Де Фризу, который в 1901 году создал теорию мутации.
В 1933 году была создана хромосомная теория наследственности,
основы которой заложил американский биолог Томас Морган (1866-1945).
Он выдвинул гипотезу о линейном расположении единиц наследственности
генов в хромосомах, которые представляют собой важнейшие структурные
элементы ядра клетки. Дальнейшими исследователями было доказано, что
хромосомы являются носителями генов и именно через них осуществляется
передача признаков организмов от поколения к поколению. В каждой
отдельной хромосоме локализуется не один, а множество генов. Поэтому
ген стали рассматривать как участок хромосомы.
Морган установил 6 новых генетических законов.
Первый закон гласит, что признаки, сцепленные с полом,наследуются
по принципу «крисс-кросс».
Проиллюстрируем законы наследования признаков, сцепленных с
полом, установленные Морганом, на следующем примере. В брак вступают
женщина-дальтоник (рецессивный признак) и мужчина с нормальным
цветовосприятием. Изучая цитологическую схему данного брака, видим,
что сыновья единственную Х-хромосому получают от матери,
следовательно, будут иметь ее фенотип по данному признаку (дальтоники).
Дочери получают одну Х-хромосому от матери (несущую рецессивный
аллель дальтонизма), а другую Х-хромосому от отца (несущую
доминантный аллель цветовосприятия) и будут иметь нормальное зрение.
Следовательно, фенотипический признак отца перешел к дочерям, а от
матери — к сыновьям (крисс-кросс наследование). В случае, если мать
имеет нормальное зрение, а отец дальтоник, все дети будут иметь
нормальное
цветовосприятие,
а
если
дочь
с
нормальным
цветовосприятием, но носитель гена дальтонизма, выйдет замуж за
здорового мужчину, то возможное соотношение фенотипов у детей будет 3
: 1.
По второму закону признаки, контролируемые локализованными с
одной и той же хромосомой генами, наследуются сцепленно и совместно.
112
Сцепленными
признаками
называются
признаки,
которые
контролируются генами, расположенными в одной хромосоме.
Естественно, что они передаются вместе в случаях полного сцепления.
Сцепленные гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются
совместно и не обнаруживают независимого распределения.
Третий закон – фактор-ген представляет собой определенный участок
хромосомы.
Четвертый закон – разные аллели одного и того же гена
располагаются в идентичных участках парных хромосом.
Пятый закон – гены в хромосомах располагаются линейно.
Шестой закон – кроссинговер является взаимным регулярным
обменом участками парных хромосом, приводящим к перераспределению
локализованных в них генов, то есть к образованию новых комбинаций.
Гомологичные хромосомы могут перекрещиваться (кроссинговер
или перекрест) и обмениваться гомологичными участками.
Гомологичные хромосомы - парные хромосомы, одинаковые по
форме, размерам и набору генов. В этом случае гены одной хромосомы
переходят в другую, гомологичную ей.
Чем ближе друг к другу расположены гены в хромосоме, тем сильнее
сцепление между ними и тем реже происходит их расхождение при
кроссинговере, и, наоборот, чем дальше друг от друга отстоят гены, тем
слабее сцепление между ними и тем чаще возможно его нарушение.
Морган, как и Мендель, поддерживал постулат «один ген – один
признак», т. е. рассматривал ген как неразложимую далее единицу
наследственности.
В 1944 году американский микробиолог О.Эвери открывает функции
ДНК как носителя наследственной информации. Это открытие положило
начало молекулярной генетике.
Отметим, что еще в 1868 году швейцарский врач Иоганн Фридрих
Мишер (1844-1895) открыл нуклеиновые кислоты. Он выделил из ядер
лейкоцитов человека вещество, которое назвал нуклеином. Затем он
установил кислотные свойства нуклеина и в 1899 году был введен сам
термин «нуклеиновые кислоты».
Позднее было установлено, что в природе существуют два типа
нуклеиновых
кислот:
дезоксирибонуклеиновая
кислота
(ДНК),
преимущественно локализованная в ядре клетки и рибонуклеиновая
кислота (РНК), расположенная как в ядре, так и в цитоплазме.
ДНК является носителем генетической информации у эукариотов и
прокариотов и только у некоторых простейших вирусов наследственная
информация оказывается закодированной в РНК.
Эукариоты – все организмы, клетки которых содержат оформленное
ядро, отделенное от цитоплазмы оболочкой, криомембраной.
Прокариоты – организмы, лишенные оформленного ядра.
113
ДНК представляет собой сложный биополимер, молекула которого
содержит до 108 и более мономеров, каковыми являются нуклеотиды.
Каждый нуклеотид включает в себя три компонента: фосфорную группу
(остаток фосфорной кислоты), дезоксирибозу (пентозный сахар) и одно из
азотистых оснований: пуриновых – аденин либо гуанин, или
пиримидиновых – тимин либо цитозин. Специфика нуклеотида в
молекуле ДНК зависит от его азотистого основания, поэтому нуклеотиды
принято обозначать первыми буквами их азотистых оснований: А – аденин,
Г – гуанин, Т- тимин, Ц – цитозин.
В 1953 году была открыта структура ДНК. В этом же году
американские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс
разработали модель структуры ДНК, которая представляет собой две
полимерные цепи, закрученные вокруг общей оси в правую сторону в виде
двойной спирали. Нуклеотиды каждой цепи прочно соединены друг с
другом фосфоэфирными связями. Соединение же самих цепей
осуществляется непрочными водородными связями между азотистыми
основаниями. Цепи дополняют друг друга, между ними существует
комплементарная связь. Каждый виток спирали ДНК состоит из 10 пар
оснований. Последовательность пар А-Т и Г-Ц в молекуле ДНК
специфична. Наследственная информация закодирована в данной молекуле
именно в виде последовательности нуклеотидов.
Молекула ДНК обладает удивительным свойством репликации (от
англ. replication – копирование ) – самоудвоения. Именно это свойство ДНК
является основой способности организмов размножаться.
Перенос генетической информации осуществляется в виде
матричных процессов, в ходе которых синтезируются макромолекулы –
ДНК, РНК и белков.
Первым из данных процессов выступает репликация (редупликация)
ДНК. У всех эукариот и у большинства прокариот репликация проходит по
следующей схеме: при определенных условиях две цепи материнской ДНК
расплетаются и разделяются; каждая из них становится матрицей для
синтезирования новых комплементарных цепей. В репликации ДНК
принимают участие все три фермента ДНК. При репликации вторая цепь
ДНК синтезируется комплементарно первой. В ходе синтеза второй цепи
могут происходить повреждения нуклеотидов или нарушение их
последовательности, иначе говоря, мутации. Чтобы избежать ошибок,
ДНК обладает корректирующей способностью, репарацией, т. е.
восстановлением ее первоначального правильного состава.
Много общего с ДНК имеет РНК. Вместе с тем она отличается от нее
рядом особенностей, среди которых можно отметить следующие:
углеводом в РНК является рибоза; в ней отсутствует тимин, но вместо
него в качестве азотистого основания присутствует урацил – У (U); она
представляет собой одноцепочную спираль нуклеотидов.
114
РНК выступает в трех основных формах: информационная РНК
(иРНК) или матричная РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и
транспортная РНК (тРНК). Все формы РНК участвуют в переносе
наследственной информции.
РНК синтезируется в ходе второго процесса - транскрипции ( от англ.
transcription – переписывание) ДНК. Данный процесс представляет собой
перенос зашифрованной в последовательности пар нуклеотидов
наследственной информации с двухцепочечной молекулы ДНК на
одноцепочечную молекулу РНК. При этом матрицей для переписывания
генетической информации становится лишь одна из двух цепей молекулы
ДНК, называемой смысловой.
Транскрипция ДНК (т. е. синтез РНК) осуществляется при участии
ферментов РНК-полимеразы. Транскрипция предшествует третьему
матричному процессу – трансляции (от лат. translatio – передача) или
синтезу белков. Белки, состоящие из 20 аминокислот, синтезируются на
рибосомах в цитоплазме клетки, тогда как основная генетическая
информация об их структуре локализована в ядре клетки, в ДНК.
Следовательно, синтез белка может начаться только после переноса
соответствующей генетической информации из ядра клетки на рибосомы.
Содержащаяся в рибосоме, РНК выступает посредником между ДНК и
синтезируемым белком.
Рибосомы частицы, локализованные в цитоплазме клетки и
состоящие из двух субъединиц – РНК и белков. В каждую из рибосом
входят четыре молекулы РНК и белки.
Исходя из вышесказанного, кодирование в генетике стали понимать
как соответствие последовательности нуклеотидов в ДНК и
последовательности аминокислот в белке.
Постулат классической генетики «один ген – один признак» был
заменен новым постулатом «один ген – одна макромолекула». Это
означает, что ген начали рассматривать не как совокупность сегментов
ДНК, а как участок молекулы ДНК. Он представляет собой
последовательность нуклеотидов, выполняющих определенную функцию в
организме. Ген имеет сложную структуру и состоит в среднем из 1000
нуклеотидных пар. При этом существуют гены-карлики (например,
инсулин), имеющие всего 51 нуклеотидную пару и гены-гиганты
(например, ген фактора свертываемости крови человека), состоящие из
180000 нуклеотидных пар.
В середине 20 века были открыты «прыгающие» гены (мобильные
генетические элементы). Открытие было сделано американским биологом
Барбарой Мак-Клинток в 1951 году. «Прыгающие» гены – это гены,
способные передвигаться и менять свое местонахождение в хромосоме.
Первоначально эти гены были обнаружены у кукурузы, а позднее (1968
год) у дрожжей, растений и животных.
115
Возникает наука геномика, которая изучает не только отдельные гены,
но и целые геномы, генотипы и генофонды.
Ген – структурная и функциональная единица наследственной
информации, сосредоточенная в хромосомах, контролирующая развитие
определенного признака или свойства, материальный носитель
наследственной информации.
Геном – совокупность генов, содержащихся в гаплоидном
(одинарном) наборе хромосом. Для человека гаплоидный набор хромосом
составляет 23 хромосомы.
Генотип – совокупность всех генов организма, содержащихся в
диплоидном наборе хромосом. Для человека диплоидный набор хромосом
составляет 46 хромосом.
Генофонд – совокупность всех генных вариаций (аллелей)
определенной популяции. Можно говорить о едином генофонде вида, так как
между разными популяциями вида происходит обмен генами.
Кариотип - совокупность признаков полного набора хромосом,
присущих клеткам данного биологического вида (видовой кариотип),
данного организма (индивидуальный кариотип). Кариотипом также
называют и визуальное представление полного хромосомного набора
(кариограммы).
Полный хромосомный набор человека называется кариотипом. У
каждого человека 46 хромосом, две из которых половые: у женщин это две
хромосомы Х (кариотип: 46, ХХ), а у мужчин одна хромосома Х, а другая –
Y (кариотип: 46, ХY).
Генобиоз и голобиоз.
В зависимости от того, что считается первичным, различают два
методологических подхода к вопросу возникновения жизни:
Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения
жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы
со свойствами первичного генетического кода.
Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения
жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых
способностью к элементарному обмену веществ при участии
ферментного механизма.
Лекция 19. История эволюционного учения
Одной из первых эволюционных концепций в биологии,
формировавшихся
на
экспериментально-опытной
основе,
был
господствовавший на протяжении ХVIII столетия преформизм (от лат.
praeformare – преобразовывать). Родоначальником преформизма был
итальянский биолог Марчелло Мальпиги (1628-1694), а также
нидерландские натуралисты Антони Ван Левенгук (1632-1723) и Ян
116
Сваммердам (1637-1680). Создание микроскопа открыло перед ними
возможность изучения живых существ на микроскопическом уровне.
Обобщая результаты своих исследований, эти ученые пришли к разработке
идеи преформизма. Согласно этой идее, в половых клетках содержатся
материальные
структуры,
определяющие
развитие
изначально
находящегося там зародыша и все признаки развивающегося из него
взрослого организма.
Таким образом, преформисты представляли зародыш как взрослый
организм в миниатюре, а его развитие сводили лишь к увеличению его в
размерах. Преформисты полностью исключали из биологической
эволюции качественные изменения (скачки), сводя ее тем самым к
одностороннему количественному преобразованию.
С критикой преформистской концепции эволюции выступил У.Гарвей
(1578–1657). Он отверг идеи преформистов в своей «Теории зародышевого
развития». Гарвей представлял процесс развития зародыша как процесс
новообразования. Эта идея легла в основу эпигенеза – учения о
зародышевом
развитии
как
постепенном
и
последовательном
новообразовании органов и частей зародыша из бесструктурной
субстанции.
Крайней реакцией на преформизм явилась «теория катастроф»
Ж.Кювье (1769-1832). Согласно этой теории, изменения в живой природе
понимались как цепь внезапных и ничем между собой не связанных
качественных скачков. Кювье полагал, что выделенные им четыре типа
животных – позвоночные, моллюски, членистые и лучистые –
неоднократно в прошлом полностью вымирали вследствие различных
природных катаклизмов и масштабных катастроф, но каждый раз после
этого они появлялись вновь в результате божественного вмешательства. По
мнению Кювье, существует четыре плана строения животных, в
соответствии с которыми Бог сотворил животный мир и снова творит его
каждый раз, когда он погибает в результате очередной катастрофы.
Карл Линней (1707-1778), шведский врач и натуралист, создал
единую систему растительного и животного мира, заложил основы
современной биноминальной номенклатуры. Введённый Линнеем метод
формирования научного названия для каждого из видов из двух слов —
названия рода и специфического имени - используется до сих пор
(применявшиеся ранее длинные названия, состоящие из большого
количества слов, давали описание видов, но не были строго
формализованы). Линней описал более десяти тысяч видов растений и
большое число видов животных и разделил природный мир на три царства:
минеральное, растительное и животное, использовав, четыре уровня
(ранга): классы, отряды, роды и виды.
В то время как Линней поставил себе задачей создание формальной
структуры науки, систематики и классификации, Жорж-Луи Леклерк
117
Бюффон
(1707-1788)
старался
противопоставить
строгому
методическому ходу описания природы и наружного вида животных
описание их образа жизни, и тем возбудить интерес образованных людей к
животному миру. В противоположность Линнею, отстаивавшему в своей
классификации мысль о постоянстве видов, Бюффон высказывал
прогрессивные идеи об изменяемости видов под влиянием условий среды
(климата, питания и т. д.). В области геологии Бюффон систематизировал
известный в то время фактический материал и разработал ряд
теоретических вопросов о развитии земного шара и его поверхности.
Жоффруа Сент-Илер (1772-1844) пропагандировал единство
животного мира на основе общности происхождения всех известных
видов.
Крупным шагом в разработке научной теории эволюции явился
ламаркизм. Жан Батист Ламарк (1744-1829) впервые аргументировано
представил жизнь вообще и биологический вид в отдельности как
непрерывный восходящий процесс биологического новообразования. «Виды
обладают лишь относительным постоянством и не могут быть столь же
древними, как природа» - подчеркивал Ламарк. Он высказал идею о том,
что природа создает среди неорганических тел очень мелкие студенистые
тела, из которых впоследствии возникают более сложные структуры.
Создавая простейшие биологические формы, природа «последовательно
установила у них различные системы специальных органов, и,
сосредоточив эти органы у более совершенных животных, создала всех
известных нам животных с той организацией и теми способностями,
которые мы у них наблюдаем». Исходя из этого, Ламарк пришел к своему
пониманию эволюции как процесса постепенной градации, проявляющейся
в возрастании сложности организации животных.
Однако Ламарк не смог правильно поставить вопрос об источнике и
движущих силах эволюции. Полагая, что «градация» биологических форм,
то есть их эволюция, есть процесс непрерывного совершенства их
организации в ходе взаимодействия со средой, он, тем не менее, не смог
раскрыть внутренний механизм данного процесса. Ламарк был вынужден
апеллировать к телеологическому принципу и ввести в эволюцию в
качестве ее конечной причины и движущего начала некое стремление
организмов к прогрессу (совершенству).
Создание научной теории эволюции связывается с именем
Ч.Дарвина (1809-1882). Он, как и Ламарк, исходит из понимания
эволюции как объективного, постепенного и внутренне преемственного
процесса биологического видообразования. Дарвин также рассматривал
данный процесс как результат взаимодействия организмов с условиями их
обитания (средой). Но в отличие от Ламарка, Дарвин не стал объяснять
эволюцию телеологическими причинами, а занялся выявлением ее
внутреннего механизма на базе обобщения огромного фактического
118
материала о флоре и фауне различных частей света. Этот материал был
собран Дарвином во время его кругосветного путешествия на корабле
«Бигль» (1831-1836).
Во-первых, ученый установил множество фактов сходства древних,
доисторических животных с современными, которое он объяснял тем,
что виды должны были постоянно изменяться.
Во-вторых, он указал на прекрасную приспособленность организмов к
условиям их существования и образу жизни. Например, лапки дятла
приспособлены к лазанью по деревьям, семена деревьев приспособлены к
лучшему разлетанию и укоренению при помощи усиков и летучек и т. д.
Однако эту приспособленность он не считал обусловленной влиянием
окружающей среды или волей самого организма.
По возвращении в Англию Дарвин занялся изучением практики
разведения голубей и домашнего скота, что привело его к концепции
искусственного отбора. Однако ученый не мог еще себе представить, как
мог бы осуществляться отбор в дикой природе.
В 1778 году священник Томас Мальтус опубликовал свой труд
«Трактат о народонаселении», в котором показал, к чему бы привел рост
населения, если бы он ничем не сдерживался. В трактате показывалось, что
население имеет тенденцию к размножению в геометрической прогрессии,
а необходимые средства к существованию возрастают лишь в
арифметической прогрессии. В связи с этим возникает конкурентная
борьба, борьба за существование, которая ведется во всем мире. В
условиях интенсивной конкуренции любые изменения, благоприятные для
выживания в данных условиях, повышают способность особи
размножаться и оставлять после себя плодовитое потомство.
Справедливости ради следует сказать, что одновременно с Дарвиным
другой естествоиспытатель – Альфред Рассел Уоллес (1823-1913), много
путешествовавший по Южной Америке и островам Юго-восточной Азии,
пришел к тем же результатам.
В ноябре 1859 года Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение
видов путем естественного отбора», где он выделяет четыре фактора
эволюции: изменчивость, борьбу за существование, естественный
отбор и наследственность.
Изменчивость является исходным материалом эволюции, в котором
естественный отбор выявляет и посредством борьбы за существование
закрепляет все то, что оказывается целесообразным для выживания
организма и его дальнейшего развития. Изменчивость носит случайный,
сугубо произвольный характер. Так, в природе нельзя обнаружить два
совершенно одинаковых организма. На первый взгляд может показаться,
что все деревья в сосновом лесу одинаковые, но более внимательное
исследование обязательно выявит различия между ними. Одна сосна дает
более круглые семена, другая лучше переносит засуху, у третьей в иголках
119
больше хлорофилла и т. д. При обычных условиях эти различия не
оказывают заметного влияния на развитие деревьев. Но в экстремальных
условиях каждое малейшее отличие способно стать решающим фактором,
который определит, останется ли организм жить или будет уничтожен.
Дарвин различал два вида изменчивости: индивидуальную и
групповую. Индивидуальная изменчивость – это свойство, возникающее у
отдельного организма и передающееся по наследству (например,
засухоустойчивость у конкретной сосны). Групповая изменчивость – это
свойство, возникающее у определенной группы организмов, оказавшихся
под воздействием определенного фактора внешней среды (например, зайцы
и белки, изменяющие цвет шкурки зимой). В дальнейшем индивидуальная
изменчивость была названа мутацией, а групповая изменчивость –
модификацией.
Вторым фактором эволюции является борьба за существование. В
широком смысле борьба за существование означает зависимость одного
существа от другого, а также не только жизнь особи, но и успех в
оставлении потомства. Борьба за существование неизбежно вытекает из
геометрической прогрессии, в которой стремятся размножиться все
органические существа. Однако выживает и достигает зрелости лишь
малая часть потомства.
Причины задержек размножения: ограниченный запас пищи для
каждого вида, климат – периодические холода и засухи, эпидемии и
паразиты.
Борьба за существование характеризует сложные отношения между
животными и растениями. Эти взаимоотношения могут проявляться от
сотрудничества внутри вида, направленного против неблагоприятных
условий окружающей среды (например, сообщество бобров, строящих
платину) до конкуренции между отдельными организмами вида (например,
весенняя борьба лосей-самцов).
Борьба за существование всего упорнее идет между особями одного
и того же вида. Так, в России маленький рыжий таракан вытеснил своего
крупного черного сородича. В Австралии завезенная обыкновенная пчела
быстро уничтожила маленькую, лишенную жала туземную пчелу.
Третий фактор эволюции – это естественный отбор или выживание
наиболее приспособленных. Дарвин выдвинул гипотезу, согласно которой
в природе существует особый механизм отбора, который приводит к
избирательному
уничтожению
организмов,
оказавшихся
неприспособленными к существующим или изменившимся условиям
окружающей среды.
Разрабатывая учение о естественном отборе, ученый обратил
внимание на такие его особенности:
- постепенность и медленность процесса изменения,
120
- способность суммирования отдельных небольших изменений в
крупные, решающие, приводящие к образованию новых видов.
Формы естественного отбора.
Существуют разные классификации форм отбора. Широко
используется классификация, основанная на характере влияния форм
отбора на изменчивость признака в популяции.
Движущий отбор — форма естественного отбора, которая действует
при направленном изменении условий внешней среды. В этом случае особи
с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего
значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его
отклонения в противоположную сторону от среднего значения)
подвергаются отрицательному отбору. Примером движущего отбора
является «индустриальный меланизм бабочек» - резкое повышение доли
меланистических (имеющих тёмную окраску) особей в тех популяциях
бабочек, которые обитают в промышленных районах. Из-за
промышленного воздействия стволы деревьев значительно потемнели, а
также погибли светлые лишайники, из-за чего светлые бабочки стали
лучше видны для птиц, а тёмные — хуже. Движущий отбор
осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к
новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные
изменения в определённом направлении.
Стабилизирующий отбор - форма естественного отбора, при котором
действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от
средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака.
Понятие стабилизирующего отбора ввел в науку и проанализировал И.И.
Шмальгаузен. Например, на первый взгляд кажется, что наибольший вклад
в генофонд следующего поколения должны вносить особи с максимальной
плодовитостью. Однако наблюдения над природными популяциями птиц и
млекопитающих показывают, что это не так. Чем больше птенцов или
детёнышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше
и слабее. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со
средней плодовитостью. Отбор в пользу средних значений был обнаружен
по множеству признаков. У млекопитающих новорожденные с очень
низким и очень высоким весом чаще погибают при рождении или в первые
недели жизни, чем новорожденные со средним весом. Учёт размера
крыльев у воробьёв, погибших после бури в 50-х годах под Ленинградом,
показал, что большинство из них имели слишком маленькие или слишком
большие крылья. И в этом случае наиболее приспособленными оказались
средние особи.
Дизруптивный отбор — форма естественного отбора, при котором
условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам
изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему
состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм
121
из одной исходной. Дизруптивный отбор способствует возникновению и
поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может
служить причиной видообразования. Одна из возможных в природе
ситуаций, в которой вступает в действие дизруптивный отбор, — когда
полиморфная популяция занимает неоднородное местообитание. При этом
разные формы приспосабливаются к различным экологическим нишам или
субнишам. Например, в экспериментах с дрозофилами отбор проводился по
числу щетинок, оставлялись лишь особи с малым и большим количеством
щетинок. В результате примерно с 30-го поколения две линии разошлись
очень сильно, несмотря на то, что мухи продолжали скрещиваться между
собой, осуществляя обмен генами.
Половой отбор. Важнейшим компонентом естественного отбора
является привлекательность для особей противоположного пола. Ч.
Дарвин назвал это явление половым отбором. «Эта форма отбора
определяется не борьбой за существование в отношениях органических
существ между собою или с внешними условиями, но соперничеством
между особями одного пола, обычно самцами, за обладание особями
другого пола». Половой отбор - это естественный отбор на успех в
размножении. Былы предложены две основные гипотезы о механизмах
полового отбора. Согласно гипотезе «хороших генов» самка, выбирая
ярких самцов, выбирает хорошие гены для своих потомков. Согласно
гипотезе
«привлекательных
сыновей»
яркие
самцы
являются
привлекательными для самок, а потому стоит выбирать яркого отца для
своих будущих сыновей, так как его сыновья унаследуют гены яркой
окраски и будут привлекательными для самок в следующем поколении.
Процесс идет по нарастающей до тех пор, пока не достигнет предела
жизнеспособности.
Положительный отбор увеличивает в популяции число особей,
обладающих полезными признаками, повышающими жизнеспособность
вида в целом. С помощью положительного отбора и отсекающего отбора
совершается изменение видов. Примером положительного отбора может
служить появление хищников, превосходящих своими «умственными
способностями» многих других теплокровных. Или появление таких
рептилий, как крокодилы, обладающих четырёхкамерным сердцем и
способных жить как на земле, так и в воде.
Отсекающий (отрицательный) отбор выбраковывает из популяции
подавляющее большинство особей, несущих признаки, резко снижающие
жизнеспособность при данных условиях среды. С помощью этого отбора из
популяции удаляются вредные аллели. Также отсекающему отбору могут
подвергаться особи с хромосомными перестройками и набором хромосом,
резко нарушающими нормальную работу генетического аппарата.
Четвертый фактор эволюции – наследственность. Представление
Дарвина о наследственности было крупным недостатком его теории.
122
Если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и
наследственной передачей этих изменений потомству, то каким образом
они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Ведь в
результате скрещивания особи с полезными признаками с другими особями
эти признаки переходят потомству в ослабленном виде и в течение ряда
поколений исчезают совсем. На эти вопросы Дарвин ответить не смог.
Однако в это же время Георг Мендель (1822-1884) уже установил, что
отдельные наследственные признаки родителей при скрещивании не
сливаются, а передаются потомству в первоначальном (неразбавленном)
виде. Поэтому никакого «растворения» наследственного вещества на самом
деле не происходит.
К недостаткам теории Дарвина следует также отнести понимание
процесса антропогенеза. Ученый полагал, что человек произошел от
обезъяноподобного предка; однако он думал, что это была простая форма
видообразования путем естественного отбора. Дарвин не поднялся до
понимания антропогенеза как естественноисторического процесса, в
котором были задействованы не только биологические, но и социальные
факторы (труд, речь).
И еще один недостаток. За элементарную единицу эволюции Дарвин
принимал вид, включающий в себя много популяций. Сегодня
эволюционисты берут за элементарную единицу эволюции популяцию.
Вспомним, что Ламарк брал за такую единицу отдельную особь.
Первый вывод – эволюция живых организмов, в том числе процесс
видообразования происходит вследствие накопления случайно возникших в
ходе взаимодействия этих организмов со средой признаков, которые в силу
их целесообразности закрепляются естественным отбором и таким
образом становятся необходимыми, а стало быть, передаваемыми по
наследству.
Второй вывод – эволюция представляет собой процесс
самопроизвольный, лишенный какого бы то ни было преднамеренного
плана, телеологического содержания.
Третий вывод – эволюция не является однонаправленным линейным
процессом. Естественный отбор
не предполагает необходимо
прогрессивного развития, но предполагает его необратимость.
Четвертый вывод – основными факторами эволюции являются:
изменчивость, наследственность, борьба за существование. Движущей
силой эволюции является естественный отбор.
Не будет преувеличением сказать, что дарвинизм ознаменовал собой
начало очередной «коперниканской революции» в науке.
Лекция 20. Синтетическая теория эволюции
123
Дарвиновское учение трансформировалось в синтетическую теорию
эволюции (СТЭ), которая справедливо считается современной формой
дарвинизма. Однако СТЭ можно охарактеризовать и как результат
определенного синтеза дарвинизма и менделизма. В 30-40-е годы ΧΧ в.
был осуществлён широкий синтез генетики и дарвинизма. Генетические
идеи проникли в систематику, палеонтологию, эмбриологию,
биогеографию. Термин «современный» или «эволюционный синтез»
происходит из названия книги Дж. Хаксли «Evolution: The Modern Synthesis» (1942). Выражение «синтетическая теория эволюции» впервые было
использовано Дж. Симпсоном в 1949 году.
Начало формирования СТЭ было положено в работах С.С.
Четверикова (1880-1959), Р.Э.Фишера (1890-1962), С.Райта (1889-1988),
Дж. Холдейна (1892-1964) и др.
Обобщая данные генетики, молекулярной биологии, биоценологии,
экологии, биохимии, биофизики, палеонтологии, математического
моделирования и других наук, СТЭ на базе дарвиновской идеи
естественного отбора формирует новое представление о биологической
эволюции, отличающейся от других эволюционных концепций.
Основные факторы и движущие силы эволюции.
Современная теория эволюции отличается от дарвиновской по ряду
важнейших положений:
1. Она выделяет элементарную структуру (единицу) эволюции. Такой
структурой считается популяция, а не отдельная особь или вид,
включающий в свой состав много популяций, как предполагал Ч.Дарвин.
2. В качестве элементарного явления эволюции рассматривается
устойчивое изменение генотипа популяции.
К основным факторам эволюции Дарвин и его сторонники относили:
1) изменчивость, 2) наследственность, 3) борьбу за существование.
Сегодня биологи к этим факторам добавляют следующие:
- мутационные процессы,
- популяционные волны численности организмов
- изоляцию.
Важнейшим из этих факторов является мутационный процесс.
Мутации возникают случайно, и их результат является неопределенным.
Случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается
полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование.
Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, такие случайные изменения,
вызывают перестройку в структуре живых организмов и приводят к
возникновению новых видов. Только случайные изменения, оказавшиеся
полезными в определенных условиях окружающей среды, отбираются в
естественной природе для дальнейшей эволюции.
Следующим важным фактором эволюции являются популяционные
волны или “волны жизни”. Они определяют количественные
124
отклонения от среднего значения численности организмов в популяции.
Установлено, что малочисленные и многочисленные популяции не
благоприятны для эволюции живых организмов. Так, в больших
популяциях новым наследственным изменениям труднее проявиться, а в
малочисленных популяциях эти изменения подвержены воздействию
случайных процессов. Поэтому оптимальными для возникновения новых
видов оказываются популяции средних размеров.
Следующим фактором является обособленность (изоляция) группы
организмов. Такая изоляция определенной группы организмов необходима
для того, чтобы эта группа не могла скрещиваться с другими видами и
передавать им и, соответственно, получать от них генетическую
информацию. Цель изоляции – исключить обмен генетической
информацией с другими видами. Для этого могут служить водная среда,
болота, горы, особенности поведения организмов, различные периоды их
спаривания.
Движущая сила эволюции заключается в действии естественного
отбора. Естественный отбор есть результат взаимодействия популяций и
окружающей среды, что представляет собой борьбу противоположных
тенденций: с одной стороны, стремление к сохранению жизни и
размножению, а с другой – воздействие внешней среды, направленной на
ограничение размножения. Это противоречие и составляет внутреннее
содержание процесса эволюции.
Синтетическая теория эволюции четко разграничивает области
исследования микроэволюции и макроэволюции.
Микроэволюция
связана
с
изменениями,
доступными
непосредственному наблюдателю, это совокупность эволюционных
процессов, протекающих внутри вида, приводящих к возникновению
различий между организмами и образованию новых видов.
Популяция – это совокупность организмов одного вида с единым
генофондом, занимающих определенную территорию. У каждой популяции
есть количественные границы: минимальная численность, необходимая для
самовоспроизводства и предельно достижимый максимум численности.
Вид – это группа скрещивающихся между собой организмов, которые
не могут скрещиваться с представителями других групп. Вид может
возникнуть только в пределах одной популяции. Реально вид существует в
форме популяций.
Макроэволюция – это процесс образования из видов новых родов, из
родов – семейств, из семейств – отрядов и т. д. В отличие от
микроэволюции, протекающей внутри популяции, макроэволюция –
эволюция надвидовая. Тем не менее, в макроэволюции действуют все те же
процессы: борьба за существование, естественный отбор. Таким образом,
макроэволюция происходит на основе процессов микроэволюции.
125
Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за
длительный исторический период времени, она изучает происхождение
надвидовых таксонов, а также направления и закономерности развития
жизни на Земле в целом.
Таксон определяет общее название групп организмов. К таксонам
относятся: вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство. Наименьшей
степенью общности обладает вид, наибольшей – царство.
Исследование макроэволюция использует следующие методы:
- палеонтологический,
- сравнительно-морфологический,
- эмбриологический.
Палеонтологический занимается изучением ископаемых останков, т.
е. любых сохранившихся в земной коре останков, предположительно
принадлежащих каким-либо живым организмам. Это могут быть целые
организмы, твердые скелетные структуры, отпечатки, следы, окаменевшие
экскременты и т. д. В палеонтологической летописи многие виды,
появляющиеся на каком-то уровне развития, на более позднем уровне
исчезают. В эволюционном смысле это истолковывают как возникновение
и вымирание видов в соответствующие эпохи. По палеонтологическим
данным установили, например, что растения появились на суше раньше,
чем животные, насекомые раньше, чем опыляемые ими растения.
Главный недостаток использования метода ископаемых останков
состоит в отсутствии непрерывности палеонтологической летописи. В ней
имеют место разрывы или “недостающие звенья”. Возможно, что
некоторые виды возникли очень быстро, внезапно и поэтому
промежуточных форм не существовало. Биологи Элдредж и Гоулд
предположили, что скорость эволюции варьируется и некоторые новые
виды возникают очень быстро, что и приводит к неполноте
палеонтологической
летописи.
Эти
скачки
в
эволюционной
последовательности даже породили термин “скачкообразная эволюция”.
Примером такого скачка может служить эволюция лошади.
Сравнительно-морфологический метод изучения групп животных
или растений показывает, что по ряду особенностей они в основе своей
сходны. Например, у всех цветков имеются чашелистики, лепестки,
тычинки, рыльце, столбик и завязь; однако каждый отдельный вид цветов
отличается от других по размерам, окраске, деталям строения.
Органы, построенные по одному плану, занимающие сходное
положение в организме животного или растения, похожие по строению и
развивающиеся из одних и тех же зачатков называются гомологичными.
Функции, выполняемые гомологичными органами, могут различаться
у разных организмов; эти различия отражают особые способы адаптации
каждого организма к его среде обитания и образу жизни.
126
Некоторые структуры у многих видов не несут никакой функции, и их
называют рудиментарными органами. Например, копчиковые позвонки у
человека считают рудиментами хвоста, имевшегося у наших предков и
сохранившегося у зародышей. Существование рудиментарных органов
было бы трудно объяснить вне связи с процессом эволюции.
Атавизм (от лат. atavus — отдалённый предок) — появление у данной
особи признаков, свойственных отдаленным предкам, но отсутствующих у
ближайших. В настоящее время данный термин вышел из научного
употребления, поскольку возвращение наследственных признаков теперь
трактуется как результат действия рецессивных генов.
Эмбриологический метод берет свое начало с работ фон Бэра (17921867), который, изучая эмбриональное развитие разных групп
позвоночных, обнаружил структурное сходство во всех этих группах,
особенно на стадиях дробления и дифференцировки зарождающегося
организма.
Э.Геккель (1834-1919) высказал мысль, что сходство это имеет
эволюционное значение. Геккель сформулировал закон рекапитуляции,
согласно которому “онтогенез повторяет филогенез”, то есть стадии,
через которые проходит организм в процессе своего развития, повторяют
эволюционную историю той группы, к которой он относится. Только на
относительно поздних стадиях развития эмбрион начинает приобретать
некоторое сходство с соответствующей взрослой формой. Изначальное же
сходство между эмбрионами объясняется тем, что все они, а,
следовательно, и классы, к которым они относятся, имели общего предка.
Последующие адаптации к иным условиям среды и образу жизни изменяют
дальнейший ход развития. Организмы, приспособленные к определенному
образу жизни и определенному месту обитания, не типичному для крупной
группы (или класса), к которой они принадлежат, менее сходны с другими
членами этой группы и в процессе эмбрионального развития.
Особо подчеркнем, что как макро, так и микроэволюция происходят
под воздействием изменений в окружающей среде.
Основные закономерности макроэволюции.
Во-первых, каждое крупное изменение в строении и функции
организма можно рассматривать как новый фактор эволюции, меняющий
ее дальнейшее направление.
Во-вторых,
каждая
группа
организмов
характеризуется
определенным темпом эволюции. Чем быстрее совершается процесс
приспособления группы к частным, конкретным условиям среды, тем
скорее она достигает расцвета, а, следовательно, и гибели.
В-третьих, уничтожение групп живых организмов в ходе эволюции
обусловлено естественным отбором других групп, оказавшихся более
приспособленными к изменившимся условиям. Исчезнувшие в процессе
127
эволюции виды и группы впоследствии никогда не восстанавливаются в
прежней форме.
В-четвертых, эволюция не всегда идет от простого к сложному.
Некоторые группы организмов, например, ряд бактерий, сохранились с
древних эпох, благодаря не усложнению, а упрощению их организации.
Хорошо приспособленные формы живых организмов практически не
эволюционируют (например, акулы, крокодилы, кистеперые рыбы и проч.).
Говоря о развитии в биологии можно выделить следующие его виды:
усложнение организации, упрощение организации, одноплоскостное
развитие.
К понятию прогресса в живой природе следует относиться осторожно.
Усложнение структуры живого организма не всегда является прогрессом, а
упрощение – регрессом. Прогресс в развитии живого организма
определяется уровнем его приспособленности к изменившимся условиям
окружающей среды. По сути своей прогресс напрямую связан с борьбой за
существование.
Тем не менее, можно выделить три основных направления
биологического прогресса:
Ароморфоз – это эволюционные изменения, приводящие к
качественно новому уровню организации, но не к узкому приспособлению к
внешней среде. Ароморфоз дает возможность к переходу в новую среду
обитания, способствует расширению популяции и ее местообитания.
Благодаря ароморфозу возникают новые крупные таксономические
единицы: типы (отделы), классы.
Идиоадаптация – представляет собой небольшие эволюционные
изменения, выражающиеся в приспособлении к окружающим условиям
обитания. Повышения уровня организации при этом не происходит.
Благодаря идиоадаптации образуются мелкие таксономические группы:
виды, роды, семейства.
Дегенерация – ведет к упрощению организации, нередко
сопровождающейся потерей ряда органов. Очень часто дегенерация
связана с переходом к паразитическому образу жизни. Благодаря
дегенерации также образуются новые таксономические группы.
В природе существует и процесс, обратный прогрессу –
биологический регресс. Он заключается в уменьшении количества особей
популяции, сужении территорий, которые занимает популяция,
уменьшении числа видов. Регресс, как правило, ведет к вымиранию видов.
В последнее время виновником биологического регресса часто становится
человек.
Особенности СТЭ.
Во-первых, биологическая эволюция – многофакторный процесс, а
потому при ее изучении применяется комплексный подход.
128
Во-вторых, СТЭ смещает акцент на исследование микроуровня ее
структурной
организации.
В
основе
макроэволюции
лежат
микроэволюционные процессы, а не наоборот. Следовательно, основные
законы макроэволюции, такие, как направленность, неравномерность,
необратимость и т. д. следует рассматривать как следствия действующих
в микроэволюции закономерностей.
В-третьих, в качестве элементарной единицы эволюции СТЭ полагает
не отдельный организм, а популяцию. Эволюционирует не отдельная особь,
а популяция в целом.
В-четвертых, СТЭ рассматривает естественный отбор не только как
главную движущую силу эволюции, но и как основной механизм развития
самих факторов эволюционного процесса. Следовательно, под
определяющее действие естественного отбора попадают не только
признаки организмов, но и сама причина эволюции.
В-пятых, СТЭ соединяет (синтезирует) популяционный подход к
пониманию эволюции с генетическим подходом. В силу этого СТЭ
полагает, что действию естественного отбора подвергаются не
фенотипические признаки организмов как таковые, а лежащий в их основе
генетический материал.
В-шестых, СТЭ представляет далеко не завершенную систему
научного знания о биологической эволюции как процессе адаптивных
преобразований популяций. Будучи открытой научной системой, она
пребывает в постоянной трансформации. Вместе с новыми научными
данными СТЭ уточняет свои старые понятия и принципы и формирует
новые.
В-седьмых, СТЭ не отвергает с порога различные антидарвиновские
эволюционные концепции, а пытается переосмыслить их содержание.
Отвергая их общий подход, отрицающий естественный отбор как
эволюционный фактор, она использует рациональные моменты и все
ценное с научной точки зрения, что в них содержится.
К антидарвиновским концепциям относятся ортогенез и
сальтационизм, редукционизм.
Ортогенез соединяет в себе элементы, как номогенеза, так и
телеологизма. Согласно данной концепции эволюция происходит под
воздействием внутренних предопределенных факторов, которые, однако,
являются
выражением
изначально
существующей
в
природе
целесообразности. У
Ж.Б.Ламарка эти факторы принимают вид
стремления к прогрессу, позже у А. Бергсона – вид «жизненного порыва»,
у П.Тейяра де Шардена – «психической энергии».
Сальтационизм, представителем которого является Х.Де Фриз,
трактует эволюцию как отдельные, между собой не связанные мутации –
прыжки, которые происходят внезапно и, как правило, приводят к
образованию новых биологических форм. В основе таких мутационных
129
прыжков лежит наследственный дрейф – внезапное изменение
генетической информации.
Редукционизм — методологический принцип, согласно которому
сложные явления могут быть полностью объяснены с помощью законов,
свойственных явлениям более простым (например, социологические
явления объясняются биологическими или экономическими законами).
Редукционизм абсолютизирует принцип редукции (сведения сложного к
простому и высшего к низшему), игнорируя специфику более высоких
уровней организации. Хотя обоснованная редукция может быть и
плодотворной (пример — планетарная модель атома).
Редукционизм в биологии полагает, что макроэволюция не имеет
никаких собственных механизмов и полностью сводится к
микроэволюционным процессам. Макроэволюция есть интегрированное
выражение микроэволюционных процессов. По мнению редукционистов,
накапливаясь, микроэволюционные процессы получают внешнее
выражение в макроэволюционных явлениях.
Лекция 21. Антропология. Возникновение человека
Долгое время господствовало представление, что люди и народы
являются такими, какими их создал Творец. Лишь в XVIII в. формируется и
входит в общественное сознание идея развития. Следующий шаг в
понимании истории человечества связан с построением таких общих схем
всемирно-исторического процесса, в которых некоторые народы заморских
стран выступали как представители ранней ступени развития человечества.
Значительную роль в разработке этих теорий сыграли французские
просветители XVIII в. – Руссо, Дидро, Монтескье, Вольтер, Кондорсе и
др. Одни из них идеализировали первобытное состояние человека, другие
разрабатывали концепции исторического прогресса человеческой истории,
разума и культуры. Благодаря развитию разума, полагали они, человек
проходит определённые ступени общественного развития.
Первоначально каменные орудия древних людей, которые случайно
находили в земле, считали талисманами, посланиями богов, которые боги
метают вместе с молнией на землю. Но уже в XVIII в. возник интерес к
изучению найденных в раскопках орудий труда и предметов утвари
первобытных народов – ведь именно такими инструментами пользовались
некоторые народы Нового Света, Африки и Южной Азии. Всё чаще
высказывались мысли о существовании каменного века у древних людей, о
том, что каменные предметы – это выполненные в незапамятные времена
«произведения рук человеческих», что человек существовал задолго до
того времени, в котором должны были, согласно библейской хронологии,
жить Адам и Ева.
130
Карл Линней положил начало научному представлению о
происхождении человека. В своей «Системе природы» (1735) он отнёс
человека к животному миру, помещая его в своей классификации рядом с
человекообразными обезьянами. Голландский анатом П.Кампер показал
значительное сходство в строении основных органов человека и животных.
Всё это позволило поставить на принципиально новую, научную основу
вопрос о границах между человеком и высшими приматами.
В XVIII - первой половине XIX вв. археологи, палеонтологи,
этнографы накопили эмпирический материал, уже достаточный по объёму
для разработки научной теории антропосоциогенеза.
Особый интерес здесь представляют исследования французского
археолога Буше де Перта. В 1840-1850-х годах он искал и собирал грубо
оббитые каменные орудия и доказал, что это – орудия труда первобытного
человека, жившего в «каменном веке», одновременно с древним носорогом,
мамонтом и т. п. Открытия археолога опровергали библейскую
хронологию.
В 1862 г. в археологии для периодизации истории каменного века
были введены понятия «палеолит» и «неолит» (соответственно «древний
каменный век» и «новый каменный век»).
В первой половине XIX в. создаются и теоретические предпосылки
для создания научной теории происхождении человека. Они связаны с
развитием в биологии идеи эволюции органических форм. Однако вопросы
о происхождении человека ещё выводились за рамки эволюции живого.
Даже Ламарк не решился довести до логического завершения идею
эволюции человека, то есть до отрицания творения человека Богом.
Возможность последовательно научного решения проблемы
антропогенеза впервые появилась после создания Дарвином селекционной
теории эволюции органического мира. Теория естественного отбора
позволила
заложить
основы
естественнонаучного
понимания
антропосоциогенеза. В 1871 году вышел в свет труд Ч.Дарвина
«Происхождение человека и половой отбор», в котором на громадном
фактическом материале (из сравнительной анатомии, зоогеографии,
истории, археологии) Дарвин обосновал два кардинальных положения: о
животном происхождении человека и о том, что современные
человекообразные обезьяны представляют собой боковые ветви его
эволюции, а человек ведёт своё происхождение от каких-то вымерших
более нейтральных форм. После работ Дарвина материалистический
подход стал краеугольным камнем теории антропосоциогенеза.
Поскольку человек – это не только биологическое, но и социальное
существо, то его происхождение нельзя свести к действию исключительно
биологических факторов эволюции. На определённом этапе в
биологическую эволюцию должен был включиться ещё и некоторый
надбиологический, социокультурный фактор. Какой же это фактор? Ответ
131
на этот вопрос дал Ф.Энгельс в работе «Роль труда в процессе
превращения обезьяны в человека». В её основе лежит идея о том, что
труд – не только средство преобразования окружающей среды и
удовлетворения потребностей человека, но и средство изменения самого
человека. И сегодня эта идея не потеряла своего значения. Все
специалисты по древней археологии, палеоантропологии исходят из
представления о решающей роли труда в антропосоциогенезе.
ПРЕДПОСЫЛКИ АНТРОПОСОЦИОГЕНЕЗА.
Абиотические предпосылки.
Общей естественной предпосылкой возникновения человечества
выступило
историческое
развитие
природы.
«Пьедесталом»
антропосоциогенеза явилось развитие органического (биологического)
мира в его единстве с геологическими, географическими, климатическими,
физико-химическими, космическими и другими неорганическими
(абиотическими) системами. В соответствии с современной теорией
эволюции, историческое развитие живых организмов определяется рядом
эволюционных факторов (мутационными процессами, популяционными
волнами, изоляцией, естественным отбором и др.), включёнными во
взаимодействие с абиотическими системами природы. Элементарной
эволюционирующей системой является не отдельный индивид, а
популяция. Через последовательную смену поколений сохраняются и
утверждаются те признаки, которые оказываются удобными в данных
условиях среды. Такое взаимодействие абиотических систем с
эволюционными факторами определяло предпосылки и протекание
антропосоциогенеза.
Становление человека происходило в последний период кайнозойской
эры истории Земли, в конце эпохи неогена (кайнозой – от греч. kainos новый и zoe – жизнь; новейшая эра в геологической истории; охватывает
и современную эпоху). Началась кайнозойская эра 60-70 млн. лет тому
назад. Подразделяется на палеогеновую, неогеновую и четвертичную
(антропогеновую) системы.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ – важная часть абиотической
среды, изменения которой определяли развитие органических видов.
Геологические предпосылки антропосоциогенеза включают в себя
оледенения и потепления, усиленный вулканизм, сейсмические и
тектонические процессы, повышение уровня радиоактивности, изменение
магнитного поля Земли (за последние 5 млн. лет магнитные полюсы Земли
менялись 4 раза) и т. д.
ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ включают в себя, прежде всего,
изменения очертаний материков и морей. Так, ещё в плейстоцене
Британские острова соединялись с Европой, острова Малайского
архипелага – с Азиатским континентом, Азиатский континент – с
132
Американским и др. Это способствовало миграции животных, расселению
их на Земле.
Географические изменения связаны также с КЛИМАТИЧЕСКИМИ
ИЗМЕНЕНИЯМИ, вызванными оледенениями. В эти периоды резко
изменялись фауна и флора: вымирали многие виды теплолюбивых
животных и растений, а оставались те виды, которым удалось
приспособиться к новым условиям за счёт изменения образа жизни,
характера питания, поведенческих реакций.
Для эволюции животного мира имели большое значение и резкие
колебания уровня Мирового океана. Во времена оледенения этот уровень
понижался по сравнению с современным на 120 м., обнажая при этом
сухопутные мосты между Азией и Америкой, Европой и Британскими
островами, материковые отмели континентов.
К абиотическим предпосылкам антропосоциогенеза следует отнести
также влияние КОСМИЧЕСКИХ (ритмы солнечной активности, влияние
космических лучей и др.) и ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
(состав атмосферы, радиационный фон и др.).
Главная роль абиотических факторов в антропосоциогенезе состояла в
том, что они, будучи мощным генератором мутационных процессов,
средством интенсивной перекомбинации генофонда, поставляли
разнообразный элементарный эволюционный материал для естественного
отбора, ускоряя происхождение новых видов животных.
Анализ абиотических предпосылок ведёт к правильному ответу на
один из ключевых вопросов антропосоциогенеза – вопроса о прародине
человека. В настоящее время больше всего аргументов свидетельствует в
пользу африканской гипотезы. Учёные считают наиболее благоприятной
для качественного «скачка», перехода от животных к человеку,
палеогеографическую обстановку, которая сложилась в рифтовой зоне
приэкваториальной части Восточной Африки. Именно здесь, в 25 км. от
Олдувайского ущелья, были найдены самые древние остатки гоминид и
предгоминид, и здесь же, примерно 2 млн. лет назад, активно действовал
вулкан (кратер Нгоро-Нгоро), забрасывая это ущелье продуктами
извержений.
Биологические предпосылки.
Человек и обезьяна имеют столько общих свойств, что невозможно
себе представить появление человека в составе иного отряда, менее
одарённого. Приматы обладают широким набором высших биологических
качеств. Особенно важно то, что большая подвижность и разнообразие
функций их передних конечностей обусловили развитие большого по
размерам головного мозга и его высокую дифференциацию. Быстрое
перемещение в трёхмерном пространстве и цепкие передние конечности,
помогающие
исследовать
окружающую
среду,
высокая
133
координированность движений требуют высокой организации нервной
системы.
Дарвин и его последователи (Т.Хаксли, Э.Геккель и др.) установили
наличие сотен общих признаков телесного строения человека и
антропоидных обезьян (шимпанзе, горилл), а также сходство
эмбрионального развития человека с основными периодами развития
органического мира. Тем самым были заложены основы симиальной
(обезьяньей) теории антропогенеза.
Согласно этой теории, человек и современные человекообразные
обезьяны произошли от жившего в период неогена одного общего предка
– обезьяноподобного существа. Четыре вида известных сейчас антропоидов
– шимпанзе, горилла, орангутанг и гиббон – представляют собой боковые
ветви «родственников» человека и тоже произошли от вымерших обезьян
эпохи неогена. Во второй половине ХХ века симиальная теория была
подтверждена и данными молекулярной биологии, доказавшей родство
белковых структур и ДНК у человека и антропоидов.
Дарвин знал только одну промежуточную форму между
человекообразными позднего палеогена и неогена и далёкими предками
человека. Это – дриопитеки, останки которых были найдены в 1856 году
во Франции. И только в ХХ веке палеоантропологические раскопки
позволили обнаружить останки ископаемых обезьян, живших в эпоху
неогена, т. е. примерно 20-12 млн. лет назад. К ним относятся
ПРОКОНСУЛЫ (обнаруженные в Восточной Африке), ОРИОПИТЕК
(находка скелета в 1958 году в Италии), РАМАПИТЕК (1930-е годы,
Индия), СИВАПИТЕКИ и др., которые уже по многим признакам
обнаруживают
определённое
сходство
как
с
современными
человекообразными обезьянами, так и с человеком.
В миоцене сформировалось то ответвление от общего ствола обезьян,
которое через высших обезьян привело к далёким обезьяньим предкам
человека (понгидно-гоминидный ствол). По последним данным это
ответвление произошло не более 23-20 млн. лет назад (египтопитек).
Видовой состав антропоидной фауны в миоцене насчитывал, по-видимому,
около 20 родов антропоидов. Но большинство из них вымерло. Переход к
человеку впоследствии осуществил лишь один вид.
Анализ ископаемых предковых форм показывает, что аппарат
передвижения у них был одинаково приспособлен для передвижения как по
земле, так и по деревьям. Однако есть мнение, что это условие не
обязательно и исходная предковая форма вполне могла быть брахиатором,
т. е. пропорции конечностей позволяли этой форме передвигаться по
деревьям на задних конечностях, помогая себе при этом подвешиванием к
ветвям передними конечностями.
Один из неизбежных вопросов антропологии: какая из ныне живущих
человекообразных обезьян (шимпанзе, горилла, орангутанг, гиббон) ближе
134
к человеку? Трудности решения этого вопроса связаны с неравномерным,
«мозаичным» характером эволюции гоминид (в частности, скорость
морфологических изменений не совпадает с темпами биохимической
эволюции). Как недавно окончательно выяснилось, таким ближайшим
«родственником» человека является шимпанзе.
Второй вопрос связан с определением времени выделения
филетической (родовой) линии человека. На основе эволюционной
биологии и метода молекулярной гибридизации выяснено, что у человека и
шимпанзе 98 процентов сходных генов, у человека и гиббона – 76
процентов, у человека и макаки-резус – 66 процентов. Более того,
оказалось, что шимпанзе и горилла ближе к человеку, чем к орангутану. По
данным
таких
«молекулярных
часов»,
время
выделения
мартышкообразных обезьян от линии, ведущей к человеку – 33-27 млн. лет
назад; гиббона – 22-18 млн. лет назад; орангутана – 16-13 млн. лет, горилл –
10-8 млн. лет, а линия шимпанзе – 8-5 млн. лет назад. Это свидетельствует,
что эволюция человеческой линии заняла не более 10 млн. лет, а обезьяний
предок гоминид имел черты сходства с шимпанзе.
Отметим теперь основные пути перестройки телесной организации
ископаемого
предка
в
направлении
очеловечивания.
Это
ПРЯМОХОЖДЕНИЕ, РАЗВИТИЕ РУКИ и МОЗГА (так называемая
гоминидная триада).
Считается, что значительные изменения климата, которые привели к
сокращению тропических лесов и распространению пустынь, вызвали
гибель многих видов древесных обезьян, не успевших приспособиться к
новым условиям. Сложились предпосылки для интенсивного развития тех
популяций приматов, которые освоили прямохождение, т. е. был сделан
решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку.
Таким образом, верхние конечности гоминид могли стать
пригодными для использования природных предметов (камней, палок,
костей), а затем и изготовления орудий. Такое недостающее звено в
цепи предков человека было обнаружено в 1924 году в Южной Африке, где
были найдены костные останки австралопитековых – вымерших высших
приматов, возраст которых составляет от 5 до 1 млн. лет.
Вторым важнейшим следствием прямохождения стало то, что
изменение положения головы и глаз привело к значительному увеличению
объёма зрительной информации, расширению поля зрения, т. е.
создавались предпосылки для совершенствования форм образного
(восприятие,
представление)
отражения
действительности.
Эти
достоинства австралопитековых обеспечивали им явные преимущества в
борьбе за существование и возможность прогрессивной эволюции.
Конечно, использование природных предметов – это ещё не труд.
Труд предполагает создание орудий труда. Поэтому австралопитековых
относят к животному миру, а не к миру людей. Но прямохождение,
135
питание мясом, использование природных предметов для добывания
пищи делает этих человекообразных обезьян непосредственными
предшественниками человека.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТРУДА.
«Человек умелый».
Огромное достижение австралопитековых – выработка умения
применять разнообразные по формам природные предметы в качестве
средств охоты, нападения, защиты, обработки шкур убитых животных.
Существует предположение, что они были способны накапливать
ассортимент естественных предметов, создавать «предметный фонд стада».
При многократном использовании камней для нападения и обороны от
камня неизбежно откалывались осколки с режущим, острым краем,
которые были гораздо эффективнее, чем обветренные и обкатанные
природные камни, для раскалывания, резания, разделывания туш.
Операции обработки камней (а также палок и костей) сначала были
спорадическими, а затем закреплялись естественным отбором и
превращались в навыки всего первобытного стада.
Таким образом, трудовая деятельность (производство орудий труда)
закономерно и неизбежно формируется в ходе систематического
использования естественных предметов. С возникновением и освоением
производства орудий труда был осуществлён один из важнейших в истории
развития материального мира КАЧЕСТВЕННЫЙ СКАЧОК: ИЗ
БИОЛОГИЧЕСКОГО
МИРА
ПОСРЕДСТВОМ
ТРУДОВОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ВЫДЕЛИЛАСЬ КАЧЕСТВЕННО НОВАЯ ФОРМА
МАТЕРИИ – ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО.
Почему же сейчас, в нашу эпоху, человек не возникает из обезьяны?
На этот вопрос имеется чёткий ответ: те условия, которые привели к
появлению человека, самим же человеком (человечеством) были
преобразованы и устранены.
К какому времени наука относит возникновение производства орудий
труда? Ещё в середине ХХ века было общепризнано, что древнейшим
человеческим существом является найденный на Яве (Индонезия)
ПИТЕКАНТРОП, живший примерно 800 тыс. лет назад. Тем самым
длительность человеческой истории определялась примерно в 1 млн. лет.
Положение радикально изменилось после того, как в Восточной Африке
(50-60-е годы ХХ в.) английский антрополог Л.Лики обнаружил в
Олдувайском ущелье (Танзания) самую древнюю ископаемую форму
человеческого существа – Homo habilis (человек умелый).
Homo habilis занимает промежуточное положение между
австралопитековыми и сменившим его 1,5 млн. лет назад Homo erectus
(человек прямоходящий) – ПИТЕКАНТРОП, СИНАНТРОП и др. Это
двуногое существо ростом до 140 см. с объёмом мозга в среднем 668
кубических сантиметров, что больше, чем у австралопитеков, но меньше,
136
чем у питекантропов. Возраст этих находок – 2-3 млн. лет, а потому
историю человеческого общества следует перенести по крайней мере на 2-3
млн. лет.
Отметим революционное значение трудовой деятельности в
формировании человека:
1. Она позволяет выделить объективные свойства предметов и орудий
труда.
2. Результаты труда (и техника труда) существуют и развиваются по
независимым от человека объективным закономерностям.
3. Кроме биологических начинают формироваться социальнокультурные потребности.
4. Трудовой процесс способствует выработке и накоплению стихийноэмпирических знаний о мире.
5. Трудовой процесс с самого начала имеет общественную природу,
предполагает определённое разделение труда.
6. Под влиянием труда постепенно преобразуется и психология
гоминид: труд требует развития мышления, целеполагания, воображения,
чувственного отражения, волевых качеств, т.е. сознания.
7. Труд, общественное производство так или иначе предполагает
постепенное
формирование
системы
социального
наследования
приобретённых знаний, навыков и опыта.
По всей видимости, не только хабилисы, но и человек прямоходящий
длительное время сосуществовали с австралопитековыми. И только 1 млн.
лет назад австралопитековые были вытеснены, их экологическая ниша
занята, и homo erectus, скорее всего, стал единственным представителем
гоминид на Земле.
Большую роль в эволюции человечества сыграло освоение огня. С его
помощью первобытные люди обрабатывали мясо, которое благодаря этому
лучше усваивалось и дольше сохранялось. В эпоху мустье (от 100 до 40
тыс. лет назад; неандертальский человек) начался процесс разделения труда
при производстве орудий труда. Неандертальцы изготовляли более 60
видов орудий труда, вели развитый охотничий промысел, занимались
собирательством, жили в постоянных поселениях. Позже появились
составные орудия (копья, рогатины, ножи, скрёбла с деревянными
рукоятками и др.) и стал применяться такой технологический приём, как
раскаливание камня в огне, а затем охлаждение его в воде.
СТАНОВЛЕНИЕ СОЦИАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ.
Биологические предпосылки социальных отношений.
Генезис человека – это единый процесс морфофизиологического
превращения животного в человека (антропогенез) и стадных объединений
животных в человеческое общество (социогенез).
Становление социальных отношений способствовало обузданию
биологических инстинктов, в том числе проявлений зоологического
137
индивидуализма, замене их отношениями социальной коллективности.
Коллективность обусловлена также характером передачи опыта. Если в
биологическом мире опыт передаётся через естественный отбор, то
накопленный в процессе труда опыт, т. е. социальный опыт,
передаётся от одной особи к другой каждый раз заново, от одного
поколения к другому.
Исследования приматологов показали, что социальная активность
имеет определённые предпосылки в стадах обезьян. Стадо обезьян имеет
предсоциальную иерархию. Существуют не только отношения
доминирования и подчинения, но и сотрудничества и взаимопомощи. Так в
естественных условиях наблюдались случаи, когда обезьяне со сломанной
рукой соплеменники помогали переправляться через речку или обрыв.
Возникновение социальных отношений.
Формирование общественных отношений было обусловлено
подчинением биологических инстинктов интересам коллектива (через
выработку норм, традиций, табу и др.), укреплением связей особей при
производстве орудий деятельности, передачей социального опыта,
сплочённостью (в силу привязанности к постоянному месту обитания) и
др. Исторической основой собственно человеческих форм общения
является разделение труда.
Разделение труда при охоте было связано с преследованием, загоном и
поражением жертв. Принципиально важно, что охота как форма
первобытной деятельности имела коллективный характер. Наряду и
одновременно с технологическим разделением труда формируется и
социальное разделение труда. Сначала оно строилось на естественнобиологических основаниях, прежде всего половозрастных. Естественное
разделение труда было мощным фактором повышения производительности
труда и постепенно трансформировалось в ранние формы экономических
отношений (обмен продуктами и результатами труда).
Подчинение коллективу биологических инстинктов лежит в основе
коллективной собственности на средства и продукты производства.
Первобытное стадо было ЭНДОГАМНОЙ группой, т. е. брачные
отношения осуществлялись внутри него, между родственниками. В
силу законов генетики это тормозило развитие физической природы
человека и могло привести к его вырождению. В эпоху мустье
окончательно вступили в силу и запрет брачных отношений внутри
первобытного коллектива (АГАМИЯ), и обязанность вступать в брачные
отношения вне своего родового коллектива (ЭКЗОГАМИЯ). Так
образовалась исторически первая форма социальной организации брачных
отношений – ДУАЛЬНО-РОДОВОЙ БРАК. Это завершило становление
социальных начал, основы общественной жизни окончательно выделились
из биологического мира.
138
Создание родового общества (35-40 тыс. лет назад) означало полную
победу социальных факторов развития человека над биологическими
факторами, завершение антропосоциогенеза.
ГЕНЕЗИС СОЗНАНИЯ И ЯЗЫКА.
Раскрытие тайны происхождения сознания.
Важной стороной антропосоциогенеза являлся генезис сознания.
Сознание – высшая форма отражения мира. Носителем сознания
выступает человек, обладающий мозгом – высокоразвитой
материальной системой, способной осуществлять идеальное отражение
мира. Сознание формируется только в системе социального общения
людей и поэтому носит социально-исторический характер. Сознание
позволяет человеку познавать окружающий мир, переживать своё
отношение к нему, регулировать свою деятельность. В сфере сознания
складываются цели деятельности человека (идеальное целеполагание),
формы мышления (понятие, суждение, умозаключение и др.), чувственнообразные и волевые моменты. Основой, ядром сознания является
мышление. Именно благодаря мышлению в сознании формируется
объективный образ, картина мира.
Генезис сознания носит естественно-исторический характер,
складывается на базе высокоразвитой психики животных – высших
приматов. А последним свойственны способности к обобщению и
абстрагированию, а также к оценке знаний и намерений других особей.
Выделим основные предпосылки генезиса сознания:
1. Увеличение размеров и качественное (структурное) изменение мозга
высших приматов.
2. Трудовая, практическая деятельность.
3. Развитие социальных отношений.
4. Разделение труда.
5. Коллективность.
6. Развитие коммуникативной, сигнальной деятельности, языка, речи.
Для процесса производства орудий труда необходимо взаимодействие
между собой двух (по крайней мере) природных предметов (камней, палок,
костей). Результат их взаимодействия
определяется объективными
свойствами таких природных предметов, и человек получает возможность
выделять их ОБЪЕКТИВНЫЕ свойства. Животные же выделяют лишь
те свойства предметов среды, которые для них биологически значимы и
определяются инстинктивными программами поведения. На уровне
человека эти связи, свойства среды проявляют себя, прежде всего, через
устойчивые, повторяющиеся предметные действия субъекта. Их фиксация
и выделение из множества случайных, второстепенных действий есть не
что иное, как ОБОБЩЕНИЕ.
Если результат обобщения закрепляется в каком-нибудь знаке, то он
может, во-первых,, передаваться другим членам коллектива, во-вторых,
139
достаточно долго сохраняться в коллективной памяти. Обобщение,
зафиксированное в некотором знаке, в самом широком смысле уже есть
познание.
ЗНАНИЕ – ЭТО ВЫРАЖЕННЫЕ В ОПРЕДЕЛЁНОЙ СИСТЕМЕ
ЗНАКОВ (СЛОВО, НАВЫК, ЖЕСТ, СХЕМА И ДР.) ОБОБЩЁННЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ СОЗНАНИЯ, БЛАГОДАРЯ КОТОРЫМ РАЗЛИЧАЮТСЯ
ВЕЩИ ОБЪЕКТИВНОГО МИРА, ИХ СУЩЕСТВЕННЫЕ И
НЕСУЩЕСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА, САМ ЧЕЛОВЕК И ЕГО
ОТНОШЕНИЕ К ВНЕШНЕМУ МИРУ.
Безусловно, сознание не может быть сведено только к знанию. Оно
обладает
ещё
и
эмоционально-волевой
сферой
переживания
действительности, в которой выражаются потребности, интересы и цели
людей. Человек не только познаёт мир, но и оценивает его свойства с точки
зрения их значимости для удовлетворения своих потребностей.
В процессе общественно-производственной деятельности происходит
интериоризация: предметное действие уходит во внутренний план, а
непосредственным носителем мысли становится язык. Предметнодейственное сознание сменяется мифологическим. Обобщение мира
происходит в форме не реальных предметных действий, а идеальных
чувственных образов. Вместе с тем развивается стихийно-эмпирическое
накопление первобытных рациональных знаний.
Генезис и развитие сознания неразрывно связаны с генезисом и
развитием языка, речи. Происхождение и начальные этапы развития языка
– одна из интереснейших проблем истории культуры. Далеко не все детали
этого процесса известны, но в общих чертах учёные воспроизводят его
основные направления.
Исходной предпосылкой формирования человеческого языка
являлись виды коммуникации животных: зрительно-двигательная,
жестовая (позы, жесты, движения, выражающие страх, угрозу, подчинение
и др.), действующая только при дневном свете и в пределах видимости;
обонятельная (с помощью запахов); звуковая. Звуковая коммуникация
имеет ряд несомненных преимуществ: звуки дифференцированы и
выражают широкий спектр эмоциональных состояний; звуковой
сигнализации не мешает темнота; она воспринимается практически
мгновенно.
Современные теории языка исходят из того, что у человекообразных
обезьян и первобытных людей в зачаточной форме сосуществовали ДВА
ТИПА ЯЗЫКА – ПЕРВИЧНЫЙ и ВТОРИЧНЫЙ. ПЕРВИЧНЫЙ ЯЗЫК
развивался
на
основе
зрительно-двигательной
(жестовой)
коммуникации и выражал информацию об эмоциональном состоянии и
поведенческих установках особи, значимую для другой особи.
ВТОРИЧНЫЙ ЯЗЫК формировался на базе звуковой коммуникации, в
140
основе которой были эмоционально окрашенные крики и нейтральные
шумы, не сопровождавшиеся видимым возбуждением.
Обучение обезьян языку глухонемых, различным искусственным
языкам показало, что обезьяны способны в определённых пределах
понимать значение символов языка, оперировать ими и даже создавать
новые значения, а также понимать устную речь человека. Кроме того,
недавно обнаружено, что в верхневисочной области коры мозга шимпанзе
присутствует поле, отвечающее за понимание звуковой речи. Есть данные о
существовании такого же поля у австралопитеков. Это значит, что
человеческая речь стала развиваться раньше, чем предполагали
антропологи ещё в середине ХХ века.
Вероятно, на начальных этапах антропосоциогенеза преимущество
было за жестовой коммуникацией, сопровождавшейся и дополнявшейся
звуковой сигнализацией. Но язык жестов являлся несовершенной формой
коммуникации. Поскольку жест осуществлялся с помощью рук – главных
рабочих органов, то он не всегда был возможен (когда руки просто заняты).
Жестовый язык не мог применяться ночью, на больших расстояниях, в
условиях ограниченной видимости, для выражения сложных ситуаций, так
как он плохо подразделяется на составные элементы. Все эти факторы не
позволяли жестовому языку стать полноценным материальным носителем
мысли. Для этой роли более приемлем звуковой носитель мысли, звуковая
коммуникация.
Считается, что членораздельная речь возникла в эпоху формирования
питекантропа. В его речи присутствовали щелкающие и носовые звуки,
речь носила диалогический характер, но была подобна телеграфному
стилю.
Основная тенденция в историческом развитии речи – переход от
ДИАЛОГИЧЕСКОЙ – К МОНОЛОГИЧЕСКОЙ РЕЧИ, и далее – к
ВНУТРЕННЕЙ РЕЧИ, «проговариванию про себя». Эта тенденция
определила интериоризацию сознания, его уход во внутренний план.
Этот переход, очевидно, осуществлялся в эпоху неандертальцев (как
показали
новейшие
макетные
исследования
ротовой
полости
неандертальца, они в принципе могли общаться с помощью
членораздельной звуковой речи).
Язык всегда предполагает определённую систему знаков. С развитием
языка зарождается сложная система знаков как выразителей смыслов и
значений сознания. Генезис сознания, становление языка и речи
завершились при переходе к верхнему палеолиту, к первобытнообщинному строю, к чувственно-образному мифологическому сознанию.
Лекция 22. Экология (часть 1).
Основные понятия экологии.
141
Термин «экология» был введён в научный оборот немецким учёнымэволюционистом Эрнстом Геккелем в 1869 году. Он писал, что экология это исследование взаимоотношений организма с органическими и
неорганическими компонентами окружающей среды, изучение тех
условий, в которых проходит борьба за существование.
В 1877 году немецкий биолог К. Мёбиус ввёл одно из важнейших
экологический понятий – БИОЦЕНОЗ, под которым понимается
совокупность всех живых организмов, обитающих на данной территории.
БИОТОП, соответственно, - это совокупность всех условий среды, в
которой обитает биоценоз.
Становление экологии как самостоятельной науки завершилось в
конце XIX – начале XX вв.
В настоящее время ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, под которыми
понимаются важные для существования и размножения организмов
компоненты ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, подразделяются на 3 класса: 1)
абиотические; 2) биотические и 3) антропогенные.
В 1942 году А.Тэнсли ввёл в экологию понятие «экосистема». Под
ЭКОСИСТЕМОЙ он понимал целостную природную подсистему, в
которой организмы и среда их обитания находятся в относительном
единстве, пребывают в относительно устойчивом равновесии.
Поэтому
экосистему
можно
охарактеризовать
как
НАДОРГАНИЗМЕННУЮ СТРУКТУРУ, включающую в себя в качестве
элементов как организмы, так и физические условия их местообитания.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
КОМПОНЕНТЫ
или
составляющие
экосистемы:
1. Неорганические вещества (вода, азот, кислород, углекислый газ и
др.).
2. Органические соединения (белки, углеводы).
3. Климатический режим (температура, свет, давление и др.).
4. ПРОДУЦЕНТЫ – АВТОТРОФНЫЕ организмы (растения),
создающие пищу из неорганических веществ.
5. МАКРОКОНСУМЕНТЫ – ГЕТЕРОТРОФНЫЕ организмы (в
основном животные), питающиеся другими организмами.
6. РЕДУЦЕНТЫ – гетеротрофные организмы (главным образом
бактерии и грибы), разлагающие мёртвые организмы и превращающие их в
более простые неорганические и органические вещества.
Термин «популяция» введён В.Л.Йогансеном в 1903 году; обозначает
совокупность всех особей одного вида, населяющих определённую
территорию (ареал) и в достаточной степени изолированных от других
таких же совокупностей.
В настоящее время под ПОПУЛЯЦИЕЙ понимают совокупность
особей одного вида, отличающихся общностью происхождения, ареалом
142
обитания, морфологическим сходством, легко скрещивающихся и
обменивающихся генетической информацией.
СООБЩЕСТВОМ называют совокупность всех популяций,
населяющих данный участок среды.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША – это место и функции организмов,
популяции или вида, которые определяют их положение в пищевой цепи.
ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ (или ТРОФИЧЕСКАЯ СЕТЬ) – это
последовательность групп организмов, каждая из которых образует
пищевое звено, одновременно выступая потребителем, поедающим
предыдущую группу, и пищей, поедаемой последующей группой. Таким
образом, сущность пищевой цепи составляет отношение «пища –
потребитель». Причём вместе с пищей потребитель усваивает энергию.
Пищевая цепь входит составным элементом в структуру
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПИРАМИДЫ.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПИРАМИДА – это геометрическое обозначение
соотношений трофических уровней, основанием которых выступает
уровень продуцентов.
Экологическая пирамида проявляется в трёх основных формах: 1)
пирамида ЧИСЕЛ (численность отдельных организмов); 2) пирамида
БИОМАССЫ (характеризует общий сухой вес, калорийность или другую
меру общего количества живого вещества) и 3) пирамиду ЭНЕРГИИ
(показывает величину потока энергии и её продуктивность на
последовательных трофических уровнях).
БИОМ – множество
экосистем, объединённых одинаковыми
климатическими, энергетическими и другими условиями среды.
Наземные биомы: пустынные, травянистые, лесные.
Экосистемы: естественные и антропогенные. Антропогенные
экосистемы формируются под влиянием как естественных, так и
искусственных условий. К этим системам относятся города (с их
потреблением пищи) и агроэкосистемы (производят пищу, используя
дополнительно энергию механизмов, животных, удобрений, мышечную
силу человека и др.).
В современном понимании экология включает в себя проблему
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА И ПРИРОДЫ и
поиск оптимального способа её решения.
Исходя из этого, современную экологию можно определить как
НАУКУ
О
РАЦИОНАЛЬНОМ
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ,
ОТВЕЧАЮЩЕМ
ГАРМОНИЧЕСКОМУ
СОЧЕТАНИЮ
ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ИНЫХ ИНТЕРЕСОВ ОБЩЕСТВА И
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ.
Законы, принципы и правила экологии.
1. ЗАКОН МИНИМУМА. Первая формулировка данного закона была
дана немецким химиком Ю. Либихом в 1840 году, еще до возникновения
143
экологии как науки. Его формулировка констатировала зависимость
урожая от питательных веществ, которые содержатся в почве и, вместе с
тем, требуются растениям не в больших, а в незначительных количествах.
«Рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в
минимальном количестве». Жизненно важные химические элементы,
необходимые организму в малых количествах, принято называть
МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ (железо, медь, цинк, бор, кремний, хлор, йод,
натрий и др.). В отличие от них, фосфор, калий, кальций, сера, магний
требуются организму в больших количествах, и они называются
МАКРОЭЛЕМЕНТАМИ.
Действие
ЗАКОНА
МИНИМУМА
впоследствии
было
распространено, с одной стороны, на все организмы, а с другой – на другие
факторы среды: температуру, свет, кислород, воду и т. д. Таким образом, в
общем виде этот закон можно выразить следующим образом: РОСТ И
РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ ЗАВИСЯТ ОТ ТЕХ
ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ЗНАЧЕНИЯ КОТОРЫХ
ПРИБЛИЖАЮТСЯ
К
НЕОБХОДИМОМУ
ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ
МИНИМУМУ.
Вместе с тем, данный закон имеет два существенных ограничения. Вопервых, он действует только в экосистемах, находящихся в стационарном
состоянии. А во-вторых, при определённых условиях дефицитный элемент
организм может компенсировать другим химически близким элементом,
имеющимся в избытке.
2. ЗАКОН РЕЛЬЕ (1845), согласно которому животные или
организмы вообще могут существовать только благодаря постоянному
взаимодействию с внешним миром, с окружающей их средой. К закону
Релье примыкает ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ, который гласит, что
организм (вид) существует лишь до тех пор, пока условия его жизни
соответствуют его генетическим возможностям адаптироваться к этим
условиям и их колебаниям (изменениям).
3. ЗАКОН СОВМЕСТНОГО (СОВОКУПНОГО) ДЕЙСТВИЯ
ФАКТОРОВ СРЕДЫ. В соответствие с этим законом экологические
факторы действуют на организмы не в отдельности, а сообща, вместе. Их
действия
на
жизнедеятельность
организмов
обусловлены
их
взаимодействием друг с другом. При этом данные действия могут быть как
положительными, так и отрицательными.
4. ЗАКОНЫ ОПТИМУМА И ПЕССИМУМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО
ФАКТОРА. ЗОНА ОПТИМУМА или ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ для
данного вида – это диапазон значений экологических факторов, в пределах
которых он оказывает наиболее благоприятное воздействие на
жизнедеятельность особей этого вида. ЗОНА ПЕССИМУМА, наоборот,
включает те значения экологического фактора, при которых он
отрицательно, угнетающе влияет на организмы. Минимальное и
144
максимальное значение экологического фактора называют, соответственно,
ЭКОЛОГИЧЕСКИМ МИНИМУМОМ
и
ЭКОЛОГИЧЕСКИМ
МАКСИМУМОМ. Способность организма приспосабливаться к
существованию в пределах тех или иных значений экологического фактора
называется ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТЬЮ.
5.
ЗАКОН
ЛИМИТИРУЮЩИХ
(ОГРАНИЧИВАЮЩИХ)
ФАКТОРОВ был сформулирован Ф.Блэкманом в 1909 году. Согласно
этому закону, экологические факторы, имеющие при данных условиях
пессимальные для жизнедеятельности какого-либо организма (вида)
значения, ограничивают возможности его существования и развития даже в
том случае, когда другие факторы среды оказывают на него благоприятное
влияние.
6. ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТИ В.Шелфорда (1913). Шелфорд
обратил внимание на то обстоятельство, что лимитирующее воздействие
экологического фактора на организмы может быть вызвано не только его
недостатком, но и его избытком. Так, например, избыток питательных
веществ, света, воды и др. может оказаться столь же губительным для
организма, как и их дефицит. Говоря иначе, благоприятные для жизни
организмов значения экологических факторов заключены между
экологическим минимумом и экологическим максимумом - в ПРЕДЕЛАХ
ТОЛЕРАНТНОСТИ. Соответственно, диапазон данных значений стали
называть ДИАПАЗОНОМ ТОЛЕРАНТНОСТИ.
В 1913 году В.Шелфорд сформулировал также ЗАКОН
ТОЛЕРАНТНОСТИ, согласно которому рост и развитие организмов в
первую очередь определяется теми факторами среды, значения которых
приближаются к экологическому минимуму или экологическому
максимуму.
Важнейшим лимитирующим фактором на суше выступают состав
воды, свет, температура, а в море – степень солёности воды, её цвет и
температура. К лимитирующим факторам можно также отнести состав
атмосферного воздуха, численность популяции и др.
7.ЗАКОН
КОМПЕНСАЦИИ
(ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ)
ФАКТОРОВ Э.Рюбеля (1930). Согласно этому закону, при недостатке или
отсутствии какого-либо экологического фактора организм может
компенсировать его другим, близким в функциональном отношении
фактором. Например, обилие углекислого газа может служить некоторым
растениям фактором, компенсирующим недостаток света.
8. Одним из основных законов экологии выступает СУКЦЕССИЯ.
Сукцессией называют последовательную смену биоценозов в результате
эволюции экосистем. Различают первичные и вторичные сукцессии.
Первичные сукцессии – это освоение организмами пустых мест. В
дальнейшем их могут сменить другие организмы. Сменяющие друг друга
биоценозы образуют серию, конечным этапом эволюции которой,
145
выступает находящийся в равновесии со средой стабильный биоценоз,
получивший название КЛИМАКС. Вторичные сукцессии появляются в
местах, которые уже были заселены, но лишились своих обитателей в
результате климатических, геологических явлений или из-за вторжения
человека. Вторичная сукцессия часто приводит к образованию
ДИСКЛИМАКСА, отличного от ранее существовавшего климакса.
9. ЗАКОН ЕДИНСТВА ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ: жизнь не может
существовать и развиваться иначе, как в результате непрерывного обмена
веществом, энергией и информацией с неживой средой (абиотической
природой).
10. ПРИНЦИП
МНОЖЕСТВЕННОСТИ
ЭКОСИСТЕМ: для
повышения надёжности биосферы необходимо существование множества
разнообразных, взаимодействующих и конкурирующих между собой
экосистем.
11. ЗАКОН
НЕОБХОДИМОГО РАЗНООБРАЗИЯ, согласно
которому биосистема не может быть однообразной по своему составу, а
всегда имеет сложную иерархическую структуру, включающую различные
интегративные уровни.
Принято различать следующие уровни структурной организации
живого: гены, клетки, органы, организмы, популяции и сообщества.
Экология изучает те системы, которые расположены выше организменного
уровня.
С законом необходимого разнообразия связано ПРАВИЛО А.Уоллса,
в соответствии с которым видовое разнообразие увеличивается по мере
продвижения с севера на юг, ввиду того, что северные биоценозы, вопервых, являются наиболее молодыми и, во-вторых, живут в условиях
малого поступления солнечной энергии.
12. ПРИНЦИП ЭМЕРДЖЕНТНОСТИ (появление нового). Он
вытекает из иерархического характера организации биосистем и означает
несводимость целого к сумме его частей. Согласно данному принципу, у
последующего уровня иерархической структуры появляются качественно
новые, эмерджентные свойства, отсутствующие на предыдущем уровне
данной структуры.
13. ЗАКОН НЕРАВНОМЕРНОГО РАЗВИТИЯ ЧАСТЕЙ В
СОСТАВЕ ЦЕЛОГО: различные составляющие одного и того же уровня
иерархической структуры биосистемы развиваются не синхронно, а
неравномерно. Одни из них плавно и неуклонно развиваются, тогда как
другие или развиваются медленнее, или же вовсе остаются в неразвитом
состоянии. Поэтому можно рассматривать данный закон как один из
механизмов создания разнообразия в биосистеме.
14. ПРИНЦИП Ле Шателье-Брауна. Французский учёный Луи Ле
Шателье предложил его в 1884 году. В 1887 году данный принцип был
термодинамически обоснован К.Брауном. Согласно ему внешнее
146
воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия,
вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого
воздействия.
15. ЗАКОН УСЛОЖНЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ. Он гласит, что вместе
с историческим развитием организмов, как правило, происходит
усложнение их организации путём дифференциации их органов и их
функций.
16. ЗАКОН УСКОРЕННОГО РАЗВИТИЯ (ЭВОЛЮЦИИ), согласно
которому в результате усложнения организации биосистем, средняя
продолжительность существования вида сокращается, и, соответственно,
увеличиваются темпы биологической эволюции.
17. ПРАВИЛО ПОСТОЯНСТВА ЧИСЛА ВИДОВ В БИОСФЕРЕ:
в сформировавшейся биосфере число видов является константой, так как
количество новых видов в среднем равняется количеству вымерших видов.
18.
БИОГЕНЕТИЧЕСКИЙ
ЗАКОН
Э.Геккеля:
онтогенез
(индивидуальное развитие организма) представляет собой повторение
филогенеза (процесс исторического развития мира организмов, их видов,
родов, классов и т. д.). Иначе говоря, в своём индивидуальном развитии
особь в кратком, сжатом виде повторяет историческое развитие своего вида
и всего живого.
19. ЗАКОН ДИВЕРГЕНЦИИ (от лат. divergere – обнаруживать
расхождение) Ч.Дарвина заключается в том, что филогенез любой группы
организмов ведёт к расхождению её на различные филогенетические ветви,
идущие по разным, по сравнению с исходным её состоянием, адаптивным
направлениям.
20. ПРИНЦИП АДАПТИРОВАННОСТИ Ч.Дарвина. Согласно ему
каждый вид приспособлен к определённым, необходимым для его
существования, условиям среды.
21. ЗАКОН СООТВЕТСТВИЯ СРЕДЫ ГЕНЕТИЧЕСКИМ
ВОЗМОЖНОСТЯМ ОРГАНИЗМА. Вид может существовать и развиваться
лишь тогда и до тех пор, пока условия среды его обитания отвечают
генетическим возможностям вида приспосабливаться к их колебаниям
(изменениям).
22.
ЗАКОН
ОТНОСИТЕЛЬНОЙ
НЕЗАВИСИМОСТИ
АДАПТАЦИИ. Он заключается в том, что высокая приспособляемость
организма (вида) к тому или другому из экологических факторов не
гарантирует столь высокой степени его адаптации к другим факторам, а,
напротив, она может существенно снижать эту степень.
23. ЗАКОН ДАВЛЕНИЯ СРЕДЫ ИЛИ ОГРАНИЧЕННОГО РОСТА
Ч.Дарвина утверждает, что существуют ограничения, не допускающие
возможности одной пары особей размножаться в геометрической
прогрессии и таким образом производить такое огромное потомство,
которое заполонило бы всю нашу планету.
147
24.
ЗАКОН
МИНИМАЛЬНОГО
ПРЕДЕЛА
РАЗМЕРА
ПОПУЛЯЦИИ: существует минимальный порог, ниже которого
численность популяции не может опускаться.
25.
ПРАВИЛО
ПОЯВЛЕНИЯ
НОВЫХ
ВИДОВ
ОТ
НЕСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРЕДКОВ утверждает, что новые виды
происходят не от специализированных групп, а от неспециализированных
представителей своих предков.
26. ПРАВИЛО О ВЫСОКИХ ШАНСАХ ВЫМИРАНИЯ ГЛУБОКО
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ОРГАНИЗМОВ О.Марша гласит, что
быстрее вымирают именно те биологические формы, которые являются
более специализированными ввиду истощения (исчерпания) их
генетических резервов для дальнейшей адаптации.
27. ЗАКОН ОБ ИСТОРИЧЕСКОМ САМОРАЗВИТИИ БИОСИСТЕМ
Э.Брауэра. Согласно этому закону, биосистемы развиваются в результате
увеличения их внешней работы. Стало быть, вследствие их воздействия на
окружающую среду.
28. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРАВИЛО Вант-Гоффа-Аррениуса:
скорость химических реакций (процессов) увеличивается в 2-3 раза при
повышении температуры на 10 градусов по Цельсию. Поэтому
хозяйственная деятельность людей, приводящая к повышению
температуры среды может иметь опасные разрушительные для среды
последствия.
29.ЗАКОН О ПИРАМИДЕ ЭНЕРГИИ Р.Линдемана, согласно
которому только около 10% энергии предыдущего трофического уровня
переходит на следующий трофический уровень, тогда как обратный поток
энергии от более высокого уровня к более низкому составляет лишь
порядка 0,25-0,5%. Это означает, что в биоценозах не происходит
круговорота энергии.
30. ПРАВИЛО Э.ШРЁДИНГЕРА утверждает, что упорядоченность
организма выше упорядоченности окружающей среды, поскольку он отдаёт
в неё больше неупорядоченности (энтропии), чем получает от неё.
Лекция 23. Экология (часть 2)
Кислотные дожди.
Кислотные дожди – это дожди, загрязненные кислотами из
атмосферы. Уголь часто содержит вещества, которые при сгорании
выделяют кислотные газы, такие как оксид серы (SO2) или оксид азота
(NO2). Если эти кислотные газы попадают в атмосферу, они
взаимодействуют даже с минимальным количеством влаги, образуя
кислоты, которые выпадают на землю в виде дождя.
Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую
среду. В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются
148
водные экосистемы, почва и растительность. Первыми жертвами
кислотных дождей стали озёра и реки. Природные поверхностные воды
обладают буферными способностями по отношению к посторонним
водородным и гидроксильным ионам. Особенно высокими буферными
способностями обладает морская вода. А снеговые воды, а также
большинство пресных водоёмов, особенно в северных областях земного
шара, обладают слабыми буферными свойствами. Самый богатый
животный мир присущ водам, которые лежат в нейтральной или
слабощелочной области. Он во много раз богаче, чем животный мир
кислых или щелочных вод. Водоёмы с очень кислыми водами необитаемы,
жизни в них нет.
При повышении кислотности воды в ней быстро нарастает содержание
алюминия за счёт взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород
с кислотой. Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л)
смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие
фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием,
становятся малодоступными этим организмам. Дефицит питательных
веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации»
водоёмов. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций
наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими
цепями (цепи питания).
Почвенное подкисление считается одной из основных причин
усыхания лесов умеренной зоны северного полушария.
Воздействию кислотообразующих газов и кислотных осадков
подвергаются органические материалы – кожа, бумага, ткани, резина,
красители.
Под действием кислотных дождей разрушаются известняк, мел,
мрамор, туф. Многие скульптуры и здания в Риме, Венеции и других
городах, памятники зодчества, такие, как Акрополь в Афинах, Кёльнский
собор и другие, за несколько последних десятилетий получили значительно
большие повреждения, чем за всё предыдущее время. Кислотные дожди
разрушают древние оконные стёкла церквей, соборов и дворцов.
Металлы под действием кислотных дождей, туманов и росы
разрушаются ещё быстрее, чем строительные материалы и стекло. Такой
же ущерб претерпевают изделия из бронзы.
Загрязнение воздуха кислотообразующими выбросами оказывает
вредное многообразное влияние и на организм человека. Вредно это и для
здоровых людей, поскольку сульфатные частицы обладают канцерогенным
действием.
Загрязнение
воздуха
диоксидом
азота
(NO2)
вызывает
респираторные, астматические и сердечные заболевания. Подобным
образом кислотные дожди действуют и на животных.
149
Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу – диоксид серы
SO2 (сернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота.
Природным источником поступления диоксида серы в атмосферу
являются, главным образом, вулканы и лесные пожары. Основная часть
выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует сернистую
кислоту. Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до
серной кислоты. Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к
конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных
осадков (дожди, туманы, снег). Аэрозоли серной и сернистой кислот
составляют около 2/3 кислотных осадков.
Существует ещё один вид кислотных дождей. Находящийся в
атмосфере хлор (Cl) (выбросы химических предприятий; сжигание
отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию
радикалов хлора) при соединении с метаном (CH4) (источники его
поступления в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также
результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления
климата) образует хлоро-водород, хорошо растворяющийся в воде с
образованием аэрозолей соляной кислоты (HCl).
Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере –
автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%).
Озоновые дыры.
Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в
1985 году в Южном полушарии над Антарктидой группой британских
учёных. Каждый август она появлялась, к декабрю или январю прекращая
своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовалась
другая дыра меньших размеров.
Озоновая дыра – это падение концентрации озона (О3) в атмосфере
(стратосфере) на высоте 30-50 км. Озон образуется из кислорода (О2) под
воздействием ультрафиолета. Средняя толщина озонового слоя составляет
3 мм.
К разрушению озонового слоя ведёт ряд факторов, главными из
которых является гибель молекул озона в реакциях с различными
веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие
солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый
полярный вихрь, который препятствует
проникновению
озона из
приполярных широт.
Эти факторы особенно характерны для Антарктики. Каковы же
последствия разрушения озонового слоя?
Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на
землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи.
Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.
Хотя и были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и
бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например,
150
фторосодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займёт
несколько десятилетий.
80% хлора имеет антропогенное происхождение. Вмешательство
человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. До вмешательства
человека процессы образования озона и его разрушения находились в
равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности,
сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона.
Иногда утверждают, что озон разрушается только над Антарктикой.
Это неверно. Уровень озона также падает во всей атмосфере, что
подтверждается мониторингом озонового слоя над Арозой (Arosa) в
Швейцарии.
Парниковый эффект.
Механизм парникового эффекта.
Основным источником жизни и всех природных процессов на Земле
является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечной радиации всех длин
волн, поступающая на нашу планету в единицу времени на единицу
площади, перпендикулярной солнечным лучам, называется СОЛНЕЧНОЙ
ПОСТОЯННОЙ и составляет 1,4 кДж/см2. Из общего количества
солнечной энергии, поступающей на Землю, атмосфера поглощает 20%.
Примерно 34% энергии отражается облаками атмосферы и самой
поверхностью Земли. Таким образом, до земной поверхности доходит 46%
солнечной энергии. В свою очередь, поверхность суши и воды излучает
длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично
уходит в Космос, а частично остаётся в атмосфере, нагревая приземные
слои воздуха. В свое время эта изоляция Земли от космического
пространства создала благоприятные условия для развития живых
организмов.
Природное явление, суть которого заключается в том, что
прозрачная для солнечной радиации атмосфера задерживает идущее
от земной поверхности тепловое излучение (подобно плёнке над
парником), получило образное название ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ.
Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку
тепла в космическое пространство, называют ПАРНИКОВЫМИ
ГАЗАМИ.
Благодаря парниковому эффекту среднегодовая температура у
поверхности Земли в последнее тысячелетие составляет примерно 15
градусов по Цельсию. Без парникового эффекта эта температура
опустилась бы до -18 градусов, и существование жизни на Земле стало бы
невозможным.
Основным парниковым газом атмосферы является водяной пар,
задерживающий 60% теплового излучения Земли. Примерно 40%
теплового излучения задерживается другими парниковыми газами, в том
числе более 20% - углекислым газом (СО2). Основные природные
151
источники СО2 в атмосфере – извержения вулканов и естественные лесные
пожары.
По оценке американского геохимика Д.Марэ, содержание СО2 в
атмосфере в первый миллиард лет существования Земли было в тысячу раз
больше, чем а настоящее время, - около 39%. Тогда температура воздуха в
приземном слое достигала почти 100 градусов по Цельсию, а температура
воды
в
Мировом
океане
приближалась
к
точке
кипения
(«сверхпарниковый» эффект). С появлением фотосинтезирующих
организмов и химических процессов связывания углекислого газа стал
действовать мощный механизм изъятия СО2 из атмосферы и океана в
осадочные породы. Парниковый эффект стал постепенно уменьшаться,
пока не наступило то равновесие в биосфере, которое имело место до
начала эпохи индустриализации и которому соответствует минимальное
содержание углекислого газа в атмосфере – 0,03%.
В индустриальную эпоху усиление парникового эффекта связано с
возрастанием содержания в атмосфере техногенного диоксида углерода
(СО2) за счёт сжигания ископаемых видов органического топлива
предприятиями
энергетики,
металлургическими
заводами,
автомобильными двигателями. Количество техногенных выбросов СО2 в
атмосферу значительно выросло во второй половине ХХ века. Основной
причиной этого стала колоссальная зависимость мировой экономики от
ископаемых видов топлива. Индустриализация, урбанизация и
стремительные темпы роста населения планеты обусловили увеличение
мирового спроса на электроэнергию, удовлетворяющегося главным
образом за счёт сжигания горючих ископаемых.
Выбросы водяного пара в атмосферу топливно-энергетическим
комплексом мира по количеству на порядок превосходят выбросы
диоксида углерода, а ведь водяной пар является главным парниковым
газом на Земле!
Другими парниковыми газами, обусловленными хозяйственной
деятельностью, являются: метан (СН4), поступающий с рисовых полей (до
110 млн. тонн ежегодно), а также в результате утечек природного газа при
его добыче и попутного газа при нефтедобыче, на угольных шахтах.
Последствия усиления парникового эффекта - это потепление
климата, повышение уровня Мирового океана за счёт таяния материковых
ледников и морских льдов и теплового расширения океана. За прошедшие
сто лет уровень Мирового океана повысился на 10-15 см, к 2025 году
возможно его повышение ещё на 20-30 см, а к концу наступившего
столетия – на 1-2 метра.
Толщина ледового покрова в Северном Ледовитом океане сократилась
на 40%, происходит интенсивное разрушение ледовых щитов Антарктиды
и Гренландии. Из-за таяния льдов происходит замедление течения
Гольфстрим; уже сейчас сила потока уменьшилась на 10%. Исчезновение
152
Гольфстрима приведёт к существенным изменениям климата Северной
Атлантики. У побережья Британии температура может понизиться на 5
градусов Цельсия, в других районах среднегодовая температура упадёт на
10 градусов.
Как следствие этого – перемещение береговой линии. Под водой
окажутся многие прибрежные районы и острова. Сотни миллионов людей
вынуждены будут мигрировать из прибрежных зон, дельт рек и с островов.
Высвобождение метана в зоне вечной мерзлоты и таяние грунтов создаст
угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, в том числе газо-и
нефтепроводам, буровым установкам и т. п., ухудшит состояние лесных
массивов на вечной мерзлоте.
Произойдут существенные изменения
природных процессов в
биосфере, изменится характер облачности, произойдёт смещение
климатических зон и, в частности, расширение зон пустынь; нарушатся
биологические ритмы развития растений, наступят длительные периоды
неурожаев главных сельскохозяйственных культур.
Усилятся аномальные погодные условия, такие, как штормы, ураганы
и торнадо, наводнения и цунами.
Виды загрязнения окружающей природной среды.
Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту
или иную экологическую систему не свойственных ей живых или
неживых компонентов, физических или структурных изменений,
прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ,
потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной
экосистемы.
Разнообразное вмешательство человека в естественные процессы в
биосфере можно сгруппировать по следующим видам загрязнений,
понимая под ними любые нежелательные для экосистем антропогенные
изменения:
1. ИНГРЕДИЕНТНОЕ (ингредиент – составная часть сложного
соединения или смеси) загрязнение как совокупность веществ,
количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам.
Например, выбросы в атмосферу или в водные ресурсы отходов
химических
предприятий
или
отходов
предприятий
тяжелой
промышленности (СО2, СН4, SO2, NO2 и др.).
2. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ или ФИЗИЧЕСКОЕ загрязнение (параметр
окружающей среды – одно из её свойств, например, уровень шума,
освещённости, радиации и т. д.), связанное с изменением качественных
параметров окружающей среды.
3. БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ загрязнение - воздействия на сообщества и
популяции живых организмов, вызывающие нарушения их состава и
структуры (перепромысел или переруб деревьев, направленная или
случайная интродукция видов, химическое или другой вид загрязнения,
153
снижающий численность организмов и т. д.) Интродукция — это
преднамеренное или случайное переселение особей какого-либо вида
животных и растений за пределы естественного ареала в новые для них
места обитания и введение, таким образом, в экосистему чуждого ей вида.
4. ДЕСТРУКТИВНОЕ загрязнение, представляющее собой изменение
ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.
До 60-х годов ХХ века под охраной природы понималась в основном
защита её животного и растительного мира от истребления.
Соответственно и формами этой защиты было главным образом создание
особо охраняемых территорий, принятие юридических актов,
ограничивающих помысел отдельных животных и т. п. Учёных и
общественность волновали, прежде всего, биоценотическое и частично
деструктивные
воздействия
на
биосферу.
Ингредиентное
и
параметрическое загрязнение, конечно, существовало и тогда, но оно не
было столь многообразным и массированным, как теперь, практически не
содержало искусственно созданных соединений, не поддающихся
естественному разложению, и природа с ним справлялась самостоятельно.
Тогда загрязнённая вода полностью восстанавливала свои свойства на
протяжении 30 км от источника загрязнения. В настоящее время не
происходит самоочищения даже таких полноводных и протяжённых рек,
как Обь, Енисей, Лена и Амур.
Конечно же, и раньше наблюдались отдельные очаги деградации
природы в окрестностях наиболее загрязняющих производств. Однако к
середине ХХ века способность природы к самоочищению, т. е.
естественному разрушению загрязнителя в результате природных
физических, химических и биологических процессов, была утрачена. Все
отмеченные деструктивные процессы, будь то кислотные дожди, озоновые
дыры, парниковый эффект и глобальное потепление климата давно
перешли границы тех или иных отдельных стран и регионов, стали
общемировыми угрозами. А потому и решать такого рода проблемы можно
только объединёнными и согласованными усилиями всего мирового
сообщества, опираясь
на такие международные соглашения, как
Монреальский и Киотский протоколы.
Лекция 24. В.И.Вернадский о биосфере и ноосфере
Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945) называют
Ломоносовым ХХ века. Редкая синтезирующая способность, всеохватность
отличают его творческий гений. Учёный основал и развил несколько новых
научных дисциплин, стал создателем учения о биосфере и переходе её в
новое качество – в ноосферу. Он показал, что вещество планеты образуется
в круговороте «мёртвое – живое – мёртвое», что биогенные породы (то есть
созданные живым веществом) составляют значительную часть массы
154
биосферы и идут далеко за пределы биосферы, превращаются, теряя всякие
следы жизни, в гранитную оболочку.
В истории науки можно выделить два понятия «биосферы».
1. Понимание биосферы как совокупности живых организмов.
Все живые существа планеты взаимодействуют с внешней средой и
изменяют её – это представление возникло давно. Еще Ламарк отмечал, что
все живые организмы, бесконечно разнообразные, многочисленные, с
непрерывно сменяющимися поколениями, в результате своей
жизнедеятельности принимают активное участие в формировании
поверхности Земли. Работы Ламарка положили начало представлениям о
существовании на нашей планете особого пространства, заселённого
живыми организмами и преобразуемого ими.
Термин «БИОСФЕРА» был впервые предложен в 1875 году
австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако он не
разработал теории биосферы и не дал введённому им термину точного
определения.
2. Понятие о биосфере как о биологической оболочке Земли.
По Вернадскому, биосфера – это оболочка Земли, состав, структура
и характеристики которой обусловлены прошлой и современной
деятельностью живых организмов. БИОСФЕРА – СФЕРА ЕДИНСТВА
ЖИВОГО И КОСНОГО (НЕЖИВОГО) ВЕЩЕСТВА. «Живое вещество
биосферы есть совокупность живых организмов, в ней живущих» определение, данное Вернадским. Биосфера – это «организованная,
определённая оболочка земной коры, сопряжённая с жизнью». Пределы
биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни.
Биосфера – не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно
литосфере, гидросфере или атмосфере, а ОРГАНИЗОВАННАЯ оболочка.
Но как она организована? Быть ЖИВЫМ – значит быть
организованным, отмечал Вернадский, и в этом состоит суть понятия
биосферы как ОРГАНИЗОВАННОЙ ОБОЛОЧКИ Земли.
Выделяют пять основных ФУНКЦИЙ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА:
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ. Заключается в поглощении солнечной
энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путём разложения
энергонасыщенных веществ и передачи энергии по пищевой цепи
разнородного живого вещества.
2. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ. Избирательное накопление в ходе
жизнедеятельности определённых видов вещества. Выделяют два типа
концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое
повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементом,
например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б)
специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от
среды.
155
3. ДЕСТРУКТИВНАЯ. Заключается в минерализации необиогенного
органического вещества, разложении неживого, неорганического вещества,
вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.
4. СРЕДООБРАЗУЮЩАЯ. Преобразование физико-химических
параметров среды (главным образом за счёт необиогенного вещества).
5.ТРАНСПОРТНАЯ. Перенос вещества против силы тяжести и в
горизонтальном направлении.
Форма деятельности живого, его биогеохимическая работа в
биосфере заключается в осуществлении необратимых и незамкнутых
круговоротов вещества и потоков энергии между основными
структурными компонентами биосферной целостности: горными
породами, природными водами, газами, почвами, растительностью,
животными, микроорганизмами. Этот процесс носит название
БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ.
3. Состав вещества биосферы.
По Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физикохимическому составу, а именно:
1. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО как совокупность живых организмов.
Специфика живого вещества заключается в следующем:
1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной
энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с
живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные
незастывшие лавовые потоки.
2. Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы
наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом
веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.
3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что
слагающие его индивидуальные химические соединения – белки,
ферменты и проч. – устойчивы только в живых организмах (в
значительной степени это характерно и для минеральных соединений,
входящих в состав живого вещества).
4. Произвольное движение живого вещества, в значительной степени,
саморегулируемое. Вернадский выделял две специфические формы
движения живого вещества: а) пассивную, которая создается
размножением и присуща как животным, так и растительным организмам;
б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения
организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для
растений). Живому веществу также присуще стремление заполнять
собой все возможное пространство.
5. Живое вещество обнаруживает значительно большее
морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в
отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает
156
представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов
построены во всех трех фазовых состояниях
6. Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел –
индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое
вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме
– в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено
биоценозами.
7. Живое вещество существует в форме непрерывного чередования
поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически
связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для
живого вещества является наличие эволюционного процесса, то есть
воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного
копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и
биохимических изменений.
2. БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО – непрерывный биогенный поток
атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно.
3. КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО – атмосфера, газы, горные породы,
минералы и прочее.
4. БИОКОСНОЕ ВЕЩЕСТВО – почвы, илы, поверхностны воды,
воздух, сама биосфера.
5. РАДИОАКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО.
6. РАССЕЯННЫЕ АТОМЫ.
7. ВЕЩЕСТВО
КОСМИЧЕСКОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ –
кометы, астероиды, нейтрино, позитроны и др.
4. Биомасса (сухое органическое вещество) организмов Земли.
Несмотря на то, что гидросфера составляет около 71% всей
поверхности планеты, основная масса живого вещества биосферы
сосредоточена на континентах (свыше 99.8%). На океаносферу приходится
только 0.13%. На континентах преобладают растения (99.2%), в океанах –
животные и микроорганизмы (93.7%).
Живое вещество сосредоточено в основном в зелёных растениях суши,
биомасса которых на четыре порядка больше, чем у фотосинтезирующих
организмов гидросферы. Организмы, не способные к фотосинтезу,
составляют 1%.
КОЛИЧЕСТВО ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА СОСТАВЛЯЕТ 0.25% ОТ
ВЕСА ВСЕЙ БИОСФЕРЫ.
Отличия живого вещества от косного.
- изменения и процессы в живом веществе происходят значительно
быстрее, чем в косном; поэтому для характеристики изменений в живом
веществе используются понятия исторического времени, а для косного –
геологического времени. Одна секунда геологического времени равна ста
тысячам лет исторического времени;
157
- В. И. Вернадский указывал, что в ходе геологического времени
возрастают мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество;
это воздействие проявляется в непрерывном биогенном токе атомов из
живого вещества в косное и обратно;
- только в живом веществе происходят качественные изменения
организмов в ходе геологического времени;
- живые организмы изменяются в зависимости от изменения
окружающей среды, адаптируются к ней, постепенно накапливают
определенные изменения, что и служит источником эволюции.
Учение В. И. Вернадского о биосфере – это крупный шаг в понимании
не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической
деятельностью людей.
В своих трудах ученый подчёркивал, что, несмотря на то, что живого
вещества в биосфере не много, но «геологически оно является самой
большой силой в биосфере и определяет все идущие в ней процессы».
При изучении механизмов эволюции биосферы, Вернадский отмечал,
что живое вещество определяет все основные особенности её эволюции.
Образно говоря, живое вещество можно сравнить с тонкой плёнкой на
поверхности планеты, которая существует за счёт энергии Солнца.
Живое вещество ускоряет все планетные процессы. Вернадский обращает
внимание на то, что жизнь на Земле геологически вечна, то есть она
появилась вместе (или практически вместе) с Землёй как космическим
телом, что теперь подтверждается и новейшими научными данными.
ЖИЗНЬ – ровесница начала геологической истории Земли.
Не имеется и не получено поныне ни одного доказательства
происхождения вещества ЖИВОГО из НЕЖИВОГО. Между этими двумя
состояниями материи нет никаких промежуточных ступеней. Существуют
обратные данные – образование структур земной коры от отжившего
живого вещества. Через биогеохимические циклы круговорот химических
элементов в земной коре, «подстёгиваемый» живыми организмами,
запускается в действие вся машина геологических событий. Поэтому
живую природу можно считать причиной природы неживой.
В проблеме возникновения жизни Вернадский различал три
возможных варианта:
1. Зарождение живого из неживого.
а) зарождение живого из того, что живым никогда не было (камни,
скалы, воды, газы) – АБИОГЕНЕЗ; б) изначальное зарождение –
АРХЕОГЕНЕЗ.
2. Зарождение из умершего или умирающего живого организма,
возникновение новых организмов при гниении и разложении старых –
ГЕТЕРОГЕНЕЗ.
3. Зарождение живого от живого, когда человек и другие живые
организмы родятся от других себе подобных организмов – БИОГЕНЕЗ.
158
По мнению Вернадского, накопившийся в естествознании огромный
материал свидетельствует о происхождении всех современных живых
организмов путём БИОГЕНЕЗА. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен
космос, и она передавалась всегда биогенезом. Но каким же образом
возникла жизнь на Земле?
Вернадский принял третий вариант – КОСМИЧЕСКИЙ ПЕРЕНОС
ЛАТЕНТНЫХ ФОРМ ЖИЗНИ, ибо «жизнь есть явление космическое, а
не специально земное». Живое вещество в принципе не могло возникнуть
из материи косной. Оно было занесено на нашу планету из космоса, но оно
было занесено не как совокупность живых молекул, а в форме постоянно
действующих
во
Вселенной
БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПОЛЕЙ.
Функционирование этих полей таково, что живые молекулы формируются
везде, где имеются для этого необходимые условия. Учёный писал: «Твари
Земли являются созданием сложного космического процесса, в котором,
как мы знаем, нет случайности».
Живое вещество непрерывно эволюционирует. И в этой эволюции
чётко прослеживается процесс постепенного развития и усложнения
центральной нервной системы. Вернадский писал: «Раз достигнутый в
процессе эволюции уровень развития мозга не идёт уже вспять, только
вперёд».
Приходит очередь человека. Человечество осваивает сначала
земледелие, затем скотоводство, перестраивает биоценозы и вовлекает в
биогеохимические циклы запасы (остатки) былых биосфер. В своей книге
«Живое вещество» учёный отмечал: «Изменённая культурой земная
поверхность не есть что-то чуждое природе и в ней наносное, но есть
естественное и неизбежное проявление жизни как природного явления».
ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС БИОСФЕРЫ – ЭТО ОБЪЕКТИВНЫЙ
ПРОЦЕСС, И В НЁМ УЧАСТВУЕТ НОВАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СИЛА –
НАУЧНАЯ МЫСЛЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.
1. Ход научного творчества является той силой, которой человек
меняет биосферу, в которой он живёт.
2. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление,
сопутствующее росту научной мысли.
3. Это изменение биосферы происходит независимо от воли, стихийно,
как естественный природный процесс.
4. Так как среда жизни есть организованная оболочка планеты –
биосфера, то вхождение в неё, в ходе её геологически длительного
существования, живого фактора её изменения – научная работа
человечества – есть природный процесс перехода биосферы в новую
фазу, в новое состояние – в ноосферу.
ПОД ВЛИЯНИЕМ НАУЧНОЙ МЫСЛИ И ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО
ТРУДА БИОСФЕРА ПЕРЕХОДИТ В НОВОЕ СОСТОЯНИЕ – В
НООСФЕРУ.
159
Поскольку наблюдаемая перестройка биосферы – природный
геологический процесс, человечество должно осознать это и вести себя
таким образом, чтобы не противоречить идущему геологическому
процессу. При этом, научная мысль как проявление живого вещества по
существу не может быть обратимым явлением.
Анализируя возможности всё возрастающей мощи цивилизации,
Вернадский приходит к выводу о том, что человечеству как части живого
вещества придётся взять на себя ответственность за будущее
развитие биосферы и общества. Будущность человечества требует
активного вмешательства Разума в судьбу всего человечества, биосфера
должна будет измениться.
Измениться должно будет всё – и геохимические циклы биосферы, и
её способности обеспечивать потребности человечества в сочетании с
изменением природы общества, а может быть, и природы самого человека.
Всё это должно сделаться объектом целенаправленной деятельности.
Понятие ноосферы позволяет ввести исторический процесс человечества
как продолжение биохимической истории живого вещества.
Учение о ноосфере.
В Париже в 1922-1926 годах Вернадский знакомится с философами
Эдуардом Леруа и Тейяром де Шарденом. Он вникает в их идеи о
ноосфере.
Американский учёный Джеймс Дан (1813-1895) в 1859 году выдвинул
понятие, которое назвал ЭНЦЕФАЛОЗОМ или ЦЕФАЛИЗАЦИЕЙ (от
греч. kephale – голова). Излагая эту идею, Вернадский писал: «В наших
представлениях об эволюционном процессе живого вещества мы
недостаточно учитываем реально существующую направленность
эволюционного процесса». С эпохи кембрия, когда появляются зачатки
центральной нервной системы, и далее идёт медленное, но неуклонное
усложнение, усовершенствование нервной системы, в частности
головного
мозга.
Об
этом
убедительно
свидетельствуют
палеонтологические данные, хотя сам процесс уходит намного дальше
вглубь геологического времени. От моллюсков до «гомо сапиенс» это
нарастающее движение неотразимо обнаруживает себя.
«Принцип Дана», цефализация – это не теория, но и не гипотеза,
которая может быть доказана. Это ЭМПИРИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ, т. е.
большая сумма точных фактов, не имеющих случаев опровержения. Сам
Вернадский охарактеризовал его как объективный природный процесс,
закономерно длящийся в векторе времени, устремляясь в одном
необратимом направлении.
Таким образом, в эволюционном процессе существует определённое
направление – это РАЗВИТИЕ В НАПРАВЛЕНИИ УСИЛЕНИЯ
СОЗНАНИЯ, МЫСЛИ и создания форм, всё более усиливающих влияние
160
жизни на окружающуюся среду. Жизнь не есть нечто случайное, она
входит в космопланетарный механизм биосферы.
Согласно В.И.Вернадскому, ноосфера есть последняя на сегодняшний
день стадия эволюции биосферы. До нее в эволюции биосферы имели
место следующие крупные стадии:
- 50 млн. лет назад в биосфере появились богатые кальцием скелетные
образования животных. Эта кальциевая функция живого вещества была
одной из важнейших эволюционных стадий развития биосферы;
- 70-110 млн. лет назад в биосфере возникли зеленые леса;
- 15-20 млн. лет назад в зеленых лесах эволюционным путем появился
человек;
- сейчас мы имеем новое эволюционное изменение биосферы, – мы
входим в ноосферу.
В.И.Вернадский
рассматривал
возникновение
сознания
как
закономерный результат развития биосферы. Сознание, однажды
возникнув, начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу,
благодаря трудовой активности человека.
Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете.
Человек
становится
крупнейшей
геологической
силой.
Он
перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни,
перестраивает коренным образом по сравнению с тем, что было
раньше.
По мнению авторов ноосферной теории, появление человека в ряду
восходящих жизненных форм означает, что эволюция переходит к
употреблению новых средств – психического, духовного порядка. Человек
– кульминация спонтанной, бессознательной эволюции, но вместе с тем и
некое начало, вырабатывающее в себе предпосылки для нового, разумно
направленного этапа самой эволюции. С первой мысли человека о мире и
себе, с первого самого малого практического изобретения, идея и проект
которого стали передаваться (устно, в предании, затем письменно, в
документе и книге), совершенствоваться далее, начался тот опоясывающий
ныне всю планету информационный поток сведений, знаний, концепций,
теорий, который даёт нам наиболее образно близкое представление о
некоей новой специфической оболочке Земли (ноосфере), как бы
наложенной на биосферу, но не слитой с ней и оказывающей на последнюю
всё большее воздействие. Она потому и называется СФЕРОЙ РАЗУМА,
что ведущую роль в ней играют разумные, идеальные реальности:
творческие открытия, духовные, художественные, научные идеи, которые
материально осуществляются в преобразованной природе, искусственных
постройках, орудиях и машинах, научных комплексах, технопарках,
произведениях искусства и т. д.
С одной стороны, ноосфера возникает с самого появления человека
как процесс объективный, стихийный, с другой – только сейчас, в наше
161
время биосфера начинает переходить в ноосферу. Собственно она еще гдето впереди на недоступном уровне планетарного сознания и действия
человечества.
Как учёный-натуралист Вернадский провидел сущность «ноосферы
как цели», как идеала, а также её задачи и движущие силы. Как отмечал
учёный, в ХХ веке возникли значительные МАТЕРИАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ
ПЕРЕХОДА К НООСФЕРЕ.
Первый из этих факторов – ВСЕЛЕНСКОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА, то
есть «полный захват человеком биосферы для жизни». Человек не только
заселил все места, но и проник во все стихии: землю, воду, воздух, а сейчас
способен жить в околоземном, космическом пространстве.
Второй – это ЕДИНСТВО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. Вернадский
представляет единство КАК ПРИРОДНЫЙ ФАКТ. Это выражается в
выявлении в геологическом процессе всех людей как единого целого по
отношению к остальному живому веществу планеты. И это единство как
стихийное явление пробивает себе путь, несмотря на все объективные
социальные и межнациональные противоречия и конфликты.
Третий
фактор
–
ОМАССОВЛЕНИЕ
ОБЩЕСТВЕННОЙ,
ИСТОРИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ, когда народные массы получают всё
растущую возможность сознательного влияния на ход государственных и
общественных дел.
Четвертый фактор - РОСТ НАУКИ КАК ГЛАВНОЙ СИЛЫ
СОЗДАНИЯ НООСФЕРЫ.
Вернадский считал необходимым создать «интернационал учёных»,
который культивировал бы создание нравственной ответственности
учёных за использование научных открытий.
Человек сейчас – животное ГЕТЕРОТРОФНОЕ, то есть прямо
зависящее в своём питании и, следовательно, существовании, от других
живых существ или продуктов жизнедеятельности. Только растения существа АВТОТРОФНЫЕ, то есть зависящие в своем питании от
неорганических веществ и лучистой энергии Солнца.
Дальнейшее развитие человечества, полагал Вернадский, будет
состоять в изменении форм питания и источников энергии, доступных
человеку. Речь идёт об овладении энергией Солнца, а также о
непосредственном синтезе пищи, без посредничества организованных
существ. Пока речь идёт о промышленном синтезе пищи, но идея
автотрофности простирается значительно дальше. Уже в растении
солнечная энергия создаёт организм, обладающий потенциальным
бессмертием, не уменьшающим, а увеличивающем действенную энергию
исходного солнечного луча. В автотрофном человеке эта потенция должна
перейти в действительность.
Размышляя о принципиально новых «общечеловеческих действиях и
идеях», которые возникли в ХХ веке как предпосылки перехода от
162
биосферы к ноосфере, он называет, прежде всего, проблему «продления
жизни, ослабления болезней для всего человечества».
Лекция 25. Наука, ее структура, происхождение и роль в обществе
Существуют различные определения науки, охватывающие ее
различные аспекты:
- как отрасль культуры;
- как способ познания мира;
- как социальный институт.
Наука – это особый, рациональный способ познания мира,
основанный
на
эмпирической
проверке
или
математическом
доказательстве.
К
основным
чертам
науки
относят:
универсальность,
общезначимость,
систематичность,
критичность,
достоверность
(проверяемость),
рациональность,
ценностная
нейтральность,
незавершенность (открытость).
Сущность научного знания заключается в том, что за отдельными,
случайными фактами оно находит необходимое, общее, и на этой основе
получает возможность объяснения и предсказания.
Естествознание – область научного знания, в которой изучаются
природные явления на основе эмпирической проверки теорий и гипотез.
Предметом естествознания являются факты и явления природы,
воспринимаемые нашими органами чувств, прямо или косвенно.
Задачей ученого является, во-первых, установление надежных
фактов, во-вторых, поиск их связи друг с другом и создание теорий,
включающих в себя законы природы, в-третьих, указание на возможное
практическое использование найденных законов.
КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК
Все науки обычно делятся на три группы: естественные науки,
социальные и гуманитарные науки, формальные науки.
К естественным наукам относятся физика, химия, науки
биологического ряда и др. Поле естественных наук является весьма
разнородным, и различия между ними настолько велики, что невозможно
выделить какую-то одну из них в качестве парадигмы «естественнонаучного познания» вообще. Идея неопозитивизма о том, что физика
является тем образцом, на который должны ориентироваться все другие
науки (исключая формальные), является контрпродуктивной. Физика не
может служить образцом даже для всех естественных наук. Ни биология,
ни антропология не похожи в своих существенных чертах на физику.
Попытка распространить на эти научные дисциплины методологию физики
не может привести к успеху, тем не менее определенное внутреннее
163
единство естественных наук имеется: они стремятся описывать и
объяснять исследуемые ими явления природы, а не оценивать их.
В число социальных наук входят экономическая наука, социология,
политические науки, социальная психология и т. д. Для этих наук
характерно, что они не только описывают, но и оценивают, причем
тяготеют к сравнительным оценкам и к сравнительным понятиям.
К гуманитарным наукам относятся науки исторического ряда,
лингвистика, психология и др. Одни из этих наук тяготеют к чистым
описаниям, другие сочетают описание с оценкой, причем предпочитают
абсолютные оценки.
Область социальных и гуманитарных наук еще более разнородна, чем
область естественных наук. Идея отыскать научную дисциплину, которая
могла бы служить образцом социогуманитарного познания, нереалистична.
Поиски парадигмальной социальной или гуманитарной дисциплины еще
более утопичны, чем поиски «образцовой» естественной науки.
К формальным наукам относятся логика и математика. Их подход к
исследуемым объектам настолько абстрактен, что получаемые результаты
находят приложение при изучении всех областей реальности.
Приведенная классификация наук опирается на две оппозиции:
«описание - оценка» и «сравнительные понятия – абсолютные понятия».
Все науки сначала делятся на естественные науки, тяготеющие к описанию
в системе сравнительных категорий, и социальные и гуманитарные науки,
тяготеющие к оценке в системе абсолютных категорий. Такая
классификация не является единственно возможной. Существуют иные
основания деления наук.
Функции науки.
Объяснение – подведение явления, факта или события под некоторый
общий закон, теорию или концепцию. Например, чтобы объяснить, почему
падают яблоки с яблони, следует подвести этот факт под закон всемирного
тяготения. Дефицит товаров в торговой сети можно объяснить законом
соответствия спроса и предложения и т. д.
Понимание – способ интерпретации или истолкования явления,
события, факта. Наиболее часто понимание используют в гуманитарной,
духовной сфере, где имеют дело, как правило, с уникальными,
неповторимыми, единичными фактами и событиями, с трудом
поддающимися унификации. Но понимание имеет место при определенных
условиях и в естествознании, если невозможно использовать объяснение.
Например, в ситуации научного кризиса, при переходе от одной научной
теории к другой.
Предсказание (предвидение) – вывод высказываний о фактах из
законов, теорий, когда сами эти факты еще остаются неизвестными и их
предстоит открыть. Наука может достаточно точно предсказывать лунные
и солнечные затмения, погоду, новые элементы в соответствии с
164
периодической системой химических элементов Д.И.Менделеева и т. д.
Можно в известной мере предсказывать и социальные события (победу на
выборах того или иного президента или социальную нестабильность,
революционную ситуацию), но точность предсказаний таких событий
будет мала.
Метод и методология научного познания.
Метод – совокупность приемов, операций практического и
теоретического освоения действительности. Согласно Декарту, метод –
«совокупность правил, строгое соблюдение которых способствует тому,
что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно».
Сам по себе метод еще не предопределяет успеха в познании, важно
уметь его правильно применять в процессе познания.
Методология – учение о методах. Задача методологии – изучение
происхождения, сущности, эффективности и других характеристик
методов.
Методы научного познания можно разделить на общенаучные
(применяемые во всех науках) и частнонаучные (применимые лишь в
ограниченных областях научного исследования).
Общенаучные методы можно разделить далее на эмпирические и
теоретические методы.
Общенаучные методы эмпирического познания.
Наблюдение – чувственное восприятие предметов и явлений внешнего
мира. Наблюдение характеризуется рядом особенностей:
- целенаправленность, то есть наблюдение должно вестись для
решения определенной поставленной задачи;
- планомерность, то есть наблюдение должно вестись по строгому
плану, исходя из поставленной задачи;
- активность, то есть исследователь должен активно искать
интересующие его факты, использовать технические средства наблюдения;
- подробное описание объекта наблюдения;
- исследование объекта в естественной для него обстановке (например,
наблюдение положения планет и звезд на небе, наблюдение треков
элементарных частиц в камере Вильсона, наблюдение за черными дырами
во Вселенной и др.).
Эксперимент – активное, целенаправленное воздействие на
изучаемый объект для выявления и изучения его сторон, свойств, связей.
Эксперимент позволяет изучать объект в его «очищенном» виде, то
есть устраняет всякого рода побочные факторы, затрудняющие процесс
познания. В ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые
искусственные, экстремальные условия с целью наиболее яркого
проявления интересующих нас его сторон, свойств, отношений.
Экспериментатор может вмешиваться и активно влиять на процесс
165
эксперимента. Эксперимент должен быть воспроизводимым, в том числе другими учеными.
Измерение – определение количественных значений тех или иных
свойств, сторон изучаемого объекта путем сравнения их с общепринятым
эталоном (килограмм, метр, джоуль и т. п.)
Общенаучные методы теоретического познания.
Абстрагирование – это мысленное отвлечение от каких-либо свойств,
сторон изучаемого объекта с одновременным выделением его
существенных свойств. В результате абстрагирования мы получаем
абстракции: эфир, теплород, электропроводность, растворимость и т. д.
Разновидностью абстрагирования является идеализация.
Идеализация – мысленное внесение определенных изменений в
изучаемый объект в соответствии с целями исследования. Например,
«точка» (тело, лишенное размеров), «абсолютно черное тело» (тело,
поглощающее абсолютно всю попадающую на него лучистую энергию),
«идеальный газ» представляющий совокупность абсолютно упругих
частиц, и т. п.
Мысленный
эксперимент
предполагает
оперирование
идеализированным объектом, которое заключается в мысленном подборе
тех или иных положений, ситуаций, позволяющих обнаружить важные
свойства исследуемого объекта. Примерами таких экспериментов могут
служить эксперименты Галилея, которые привели к открытию инерции и
инерциального движения, мысленные эксперименты с идеальным газом
Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, приведшие к открытию зависимостей
давления, объема и плотности в жидкостях и газах, и т. п.
Формализация – использование специальной символики (букв,
знаков, математических обозначений), позволяющей отвлечься от изучения
конкретных реальных объектов. Формализация позволяет не только
записать имеющееся знание, но и развить его.
Для построения формализованной системы необходимо:
- задать алфавит, то есть определенный набор знаков;
- задать правила, по которым из исходных знаков (букв) могут быть
получены слова или формулы;
- задать правила, по которым из одних формул можно переходить к
другим (правила вывода).
Достоинство формализации состоит в обеспечении краткости,
четкости записи научной информации.
Теорема Геделя.
Курт Гедель утверждал, что каждая формализованная система либо
противоречива, либо содержит некоторую формулу (истинную), которую в
данной системе нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Таким образом,
полная формализация любой научной системы знаний невозможна.
Индукция – получение общего вывода на основании частных посылок.
166
Методы индукции (по Дж. С.Миллю):
- метод единственного сходства (один общий фактор, а все другие
различны, следовательно, он и будет причиной данного явления);
- метод единственного различия (все факторы сходны, а один
различается, следовательно, он и будет причиной данного явления);
- соединенный метод сходства и различия (комбинация двух
вышеуказанных методов);
- метод сопутствующих изменений (если изменения одного явления
всякий раз влекут за собой некоторые изменения в другом явлении, то
отсюда следует вывод о причинной связи этих явлений);
- метод остатков (сложное явление вызывается многофакторной
причиной, причем некоторые из этих факторов известны как причина
какой-то части данного явления, следовательно, причина другой части
явления – остальные факторы, входящие в общую причину этого явления).
Родоначальником классического индуктивизма был выдающийся
английский философ Ф.Бэкон (1561-1626). Он пытался придать индукции
статус универсального научного метода.
Дедукция – получение частных выводов на основе общих положений,
движение мышления от общего к частному.
Теория дедукции была создана в античности Аристотелем.
Созданная им логика описывает основные формы дедуктивного вывода. В
Новое время дедуктивный метод научного познания развивал Р.Декарт
(1596 – 1650).
Индукция и дедукция взаимодополняют друг друга. Взятые
обособленно, они являются односторонними.
Анализ – разделение объекта (мысленно или реально) на составные
части с целью их дальнейшего изучения. В качестве частей могут
выступать вещественные элементы, свойства, признаки, отношения и т. п.
Анализ особенно широко используется в химии: выделение составных
элементов в химической реакции.
Синтез – соединение составных частей, сторон, свойств, признаков
изучаемого объекта, полученных в результате анализа. По существу, анализ
и синтез – две стороны единого аналитико-синтетического метода
познания.
Аналогия – метод познания, основанный на подобии, сходстве какихто свойств, признаков или отношений у различных объектов. Установление
сходства между объектами осуществляется в результате их сравнения.
Пусть имеется два объекта: А и В.
А присущи свойства : Р1, Р2, Р3 …Pn, Рn+1
В присущи свойства: Р1, Р2, Р3 …..Рn
Вывод по аналогии: В также обладает свойством Рn+1
167
Вывод по аналогии – это перенос информации с одного объекта на
другой. Объект, на который переносится информация, называется
оригиналом, объект, с которого переносится информация – моделью.
МОДЕЛИРОВАНИЕ:
- мысленное (планетарная модель атома Резерфорда);
- физическое (модели кораблей, самолетов, плотин, мостов и т. д.);
- символическое (графики, схемы, системы уравнений и т. д.);
- численное (ЭВМ).
ПОНЯТИЕ ТЕОРИИ, ГИПОТЕЗЫ, НАУЧНОГО ФАКТА.
Теория – обобщенное описание сущности исследуемых явлений,
формулирование общих законов, которые не только описывают,
объясняют, но и предсказывают новые, еще не изученные факты.
Структура теории:
- совокупность зафиксированных эмпирических фактов и проведенных
экспериментов;
- допущения, постулаты, аксиомы, общие законы;
- правила логического вывода;
- выведенные из теории следствия.
Гипотеза – общее предположение о непосредственно ненаблюдаемых
явлениях, объектах, их связях или причинах.
Гипотеза не может быть непосредственно проверена на опыте.
Проверяемы лишь следствия, выведенные из гипотезы. В результате такой
проверки гипотеза может быть либо отвергнута, либо подтверждена.
Подтвержденная гипотеза – это теория.
Научный факт – эмпирическое знание, достоверность которого
доказана.
Научные факты:
- дают знание об объектах, описываемых теорией;
- образуют базу для эмпирических обобщений, ведущих к
выдвижению гипотез и формулировке законов;
- используются для верификации (подтверждения) или фальсификации
(опровержения) научной теории.
Гипотетико-дедуктивный метод.
Обоснование гипотезы происходит путем сопоставления ее как с уже
известными эмпирическими фактами, так и с теми фактами, которые могут
быть установлены в будущем. В последнем случае гипотеза выступает в
качестве одной из посылок дедуктивного вывода (предсказания факта).
Метод обоснования гипотезы при помощи вывода из нее эмпирически
проверяемых следствий называется гипотетико-дедуктивным методом.
Лекция 26. Понятие естественнонаучной
культуры. Вненаучные формы познания
168
и
гуманитарной
Под терминами «естественнонаучная» и «гуманитарная» культуры
понимают две различные традиции, которые сформировались в изучении
природы, с одной стороны, и исследовании явлений духовной жизни
общества, то есть в гуманитарных науках, с другой.
В природе действуют стихийные, независимые от человека процессы,
в обществе же ничего не совершается без сознательных поступков, целей,
интересов, мотиваций. На этом основании естественнонаучную культуру
часто противопоставляют гуманитарной культуре.
Наиболее адекватно сложившуюся ситуацию описал Чарльз Перси
Сноу (1905 – 1981) в работе «Две культуры и научная революция».
Духовный мир западной интеллигенции, полагает он, все явственнее
раскалывается на две противоположные части. На одном полюсе
художественная интеллигенция, на другом ученые (физики, как
наиболее яркие представители этой группы). Их разделяет стена
непонимания, антипатии и даже вражда. Они настолько по-разному
относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общего языка.
Среди художественной интеллигенции сложилось твердое мнение, что
ученые не представляют себе реальной жизни и потому им свойственен
поверхностный оптимизм (все проблемы личности и общества могут
быть разрешены с развитием науки, техники, производства). Ученые же
считают, что художественная интеллигенция лишена дара провидения и
проявляет странное равнодушие к участи человечества, ей чуждо все,
имеющее отношение к разуму и она пытается ограничить мышление
только сегодняшними заботами. Они считают, что большинство
гуманитариев придерживаются отсталых, устаревших воззрений, так как в
гуманитарном знании (литературе, истории, философии и др.) изменения
происходят гораздо медленнее, чем в естественных науках.
На одном полюсе – культура, созданная наукой. Те, кто к ней
причастен, не нуждается в том, чтобы полностью понимать друг друга, что
довольно часто и случается (так, биологи не имеют представления о том,
что делают физики). Но всех их объединяет общее стремление к лучшему
миру, ответственность за его будущее.
На другом полюсе – абсолютное непонимание мира науки,
противопоставление ему мира традиционной культуры. Если ученые
устремлены в будущее, чувствуют ответственность за него, то
представители художественной интеллигенции как будто стремятся к тому,
чтобы будущего вообще не существовало (описывая уникальный и
неповторимый мир человека, ушедшую в прошлое цивилизацию, создавая
философскую концепцию «абсолютной истины» и т. п.).
Поляризация культур – потеря для всех нас.
Ученые в своей массе, как показал опрос, не читают и не знают таких
выдающихся писателей, как Ч.Диккенс. Они живут в своем постоянно
развивающемся мире, который отличает множество теоретических
169
положений, схем, моделей, более четких и хорошо обоснованных, чем
теоретические идеи писателей. Искусство занимает в этом мире весьма
скромное положение. Очень мало книг, и почти ничего из тех книг,
которые составляют повседневную пищу гуманитариев: психологических,
исторических, философских и т. п. Проблема, видимо, состоит в том, что
литература, связанная с традиционной культурой, представляется ученым
«не относящейся к делу». Разумеется, они ошибаются и обкрадывают себя.
А что другая сторона? Она тоже многое теряет. Она все еще
традиционно думает, что традиционная культура, к которой она
принадлежит, - это вся культура. Как будто современная научная модель
мира по своей интеллектуальной глубине, сложности и гармоничности не
является
прекрасным и
удивительным
творением,
созданным
коллективными усилиями человеческого разума! А ведь большинство
«гуманитариев» не имеет об этом творении ни малейшего представления.
Мало кто из ее представителей может сформулировать, например, второй
закон термодинамики – один из тех законов, которым подчиняется весь
окружающий мир. Получается парадоксальная ситуация - величественное
здание современной науки устремляется ввысь, но для большей части
гуманитариев оно так же непостижимо, как и для их предков из неолита.
Люди, принадлежащие к двум культурам, утратили способность общаться
и понимать друг друга.
Почему же произошла поляризация науки и культуры? Видимо, по
двум причинам.
Во-первых, из-за веры в ценность и необходимость специализации
обучения.
Во-вторых, из-за желания создавать неизменные формы для всех
проявлений социальной жизни.
Процесс разделения культур, согласно Сноу, начался 60 лет назад (на
сегодняшний день - более 80 лет назад). Сегодня перебросить мостик
между учеными и «гуманитариями» значительно сложнее, чем это было
ранее.
Оригинальная точка зрения на соотношение научного и вненаучных
форм знания была высказана известным австрийским философом науки
Паулем Фейерабендом (1924-1994).
Интеллектуалы, главные защитники свободы и демократии являются
ярыми рационалистами (для них рационализм совпадает с наукой). Свобода
деятельности, по их мнению, обеспечивается теми, кто принял сторону
науки. Ученые интеллектуалы, опираясь на свой авторитет в обществе,
принимают позу искренних друзей культур неевропейских народов,
утверждая, однако, при этом превосходство европейской культуры и науки,
то есть рационализма. Таким образом, «демократические» принципы
ученых несовместимы с беспрепятственным существованием и развитием
170
ненаучных форм знания, таких, как магия, мистика, мифология,
религия и др.
Ученые, по Фейерабенду, исходят всегда из трех фундаментальных
положений:
- научный рационализм выше всех альтернативных духовных
традиций;
- научный рационализм нельзя усовершенствовать с помощью
соединения с альтернативными, «нетрадиционными» формами знания;
- благодаря своим преимуществам научный рационализм должен быть
сделан основой общественной жизни и образования.
Из этого следует, что наука должна быть навязана каждому человеку,
начиная со школы. Не лучше ли, однако, всем, и в том числе
нетрадиционным формам знания, предоставить равные права и равный
доступ к ключевым позициям общественной жизни, независимо от того,
что о них думают ученые?
По убеждению Фейерабенда, невозможно обосновать превосходство
науки, ссылаясь на ее результаты. Безусловно, наука внесла огромный
вклад в наше понимание мира, и это понимание в свою очередь привело к
еще более значительным практическим достижениям. Однако,
побежденные наукой в борьбе соперницы (религия, мифология, магия и т.
п.) не потеряли способности внести свой вклад в развитие нашего
познания, они просто временно истощили свои силы. Например,
философия атомизма была побеждена философией Аристотеля и его
последователей, но вновь возродилась в период научной революции в ΧVIXVII вв. Из подобных примеров следует, что временную задержку в
развитии нетрадиционных форм знания нельзя считать основанием для их
устранения. Однако, именно это случилось вследствие научной революции
с прежними нетрадиционными формами знания и концепциями. Их просто
вытеснили из науки и из общественных учреждений, ибо наука
(рационализм) стала фундаментом демократии. Сегодня наука царствует не
в силу своих достоинств, а благодаря организациям, пропаганде,
рекламным акциям (системе народного образования, мощным научным
объединениям, научным ассоциациям и т. п.). Наука победила мифы, и
религию в том числе, в силу того, что носители альтернативных форм
знания просто были подавлены силой. Вненаучные формы знания,
практики, теории, традиции могут стать достойными соперниками науки,
если им дать равные шансы в конкурентной борьбе. Если мы ценим науку
за ее достижения, то мифы мы должны ценить в сотни раз выше, так как
создатели мифов положили начало культуре в целом. Более того,
«нетрадиционные», «оккультные» и т. п. представления сыграли важную
роль в развитии самой науки. Так, Коперник сделал свое великое открытие
(гелиоцентрическая система мира), обращаясь к пифагорейцам, в частности
к Филолаю, последователю мистика Гермеса Трисмегиста, и будучи
171
проникнутым мистической верой в фундаментальный характер кругового
движения как движения божественного, совершенного.
Такова позиция Фейерабенда. Однако, признавая, что вненаучные
формы знания влияли на определенных этапах развития на содержание
научного знания, следует помнить, что наука в конечном счете
преодолевала эти влияния и выступала с их критикой. На место
догматических концепций наука всегда ставила свободное критическое
исследование, которое всегда было и сегодня является верным залогом ее
успешного развития и положительного влияния на общество.
Наука – лишь одна из форм «идеологии», утверждал Фейерабенд, и
поэтому она должна быть отделена от государства, как это было сделано в
отношении религии. Однако наука и религия выполняют в обществе
совершенно различные, во многом противоположные функции.
Религиозные убеждения – частное дело, поэтому существует и множество
конфессий, и принцип свободы совести. Наука, напротив, существенно
едина для всех людей и служит обществу в целом. В современном мире
развитие фундаментальных отраслей знания, а также грандиозных научноинженерных и конструкторских проектов невозможно без поддержки
государства. Кстати, полное отделение государства от религии также
фактически невозможно: государство обязано подчинить деятельность
религиозных организаций принятым в обществе законам. Религия, со своей
стороны, сохраняет свою критическую роль и по отношению к моральным
устоям деятельности государства, и по отношению к негативным
последствиям научно-технического прогресса. В обсуждении вопросов о
принятии и финансировании крупных научных программ должны
принимать участие ученые-эксперты, разбирающиеся в этих вопросах, а не
«электорат» в целом. В то же время в демократическом обществе граждане
должны обладать необходимой информацией о достижениях современной
науки и ее роли в общественной жизни, о перспективах ее развития.
ЛИТЕРАТУРА
6.
Астрономия и современная картина мира. М., 1996.
7.
Дышлевой П.С., Яценко Л.В., Что такое общая картина
мира? М.,1984.
3. Философия и развитие естественнонаучной картины мира.
Межвузовский сборник. / Отв. Ред. А.М.Мостепаненко. – Л.: ЛГУ. 1981.
1.
Лейзер Д. Создавая картину вселенной. М., 1988. С. 15–37.
2.
Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.
3.
Пуанкаре А. О науке (выбор фактов). М., 1983.
4.
Аристотель. Физика. О небе. Собр. Соч.: В 4 Т. М., 1983. Т.
3.
172
5.
Коперник Н. О вращениях небесных сфер. Малый
комментарий. М., 1964.
6.
Баев К.Л. Создатели новой астрономии: Коперник, Бруно,
Кеплер, Галилей. М., 1955.
7.
Надор Д. Мировоззрение Кеплера и его роль в развитии
понимания законов природы // В кн. Историко-астрономические
исследования, вып.1. М., 1955.
8.
Бруно Д. О бесконечности, вселенной и мирах. М., 1994.
9.
Ньютон И. Математические начала натуральной философии.
//В кн.: Крылов А.Н Собр. Трудов, Т.7. М., 1936.
10.
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики: развитие идей
от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. М.,
1965.
11.
Крик Ф. Жизнь как она есть. Ее зарождение и сущность. М.,
2002.
12.
Кузнецов Б.Г. Этюды об Эйнштейне. М., 1965.
13.
Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985.
14.
Девис П. Суперсила. – М.: Мир, 1989.
15.
Редже Т. Этюды о Вселенной. М., 1985.
16.
Нарликар Дж. Неистовая Вселенная. М., 1985.
17.
Казютинский В.В., Балашов Ю.В. Антропный принцип:
история и современность // Природа. 1989, № 1.
18.
Балашов Ю.В. Антропные аргументы в современной
космологии // Вопр. Философии, 1988, № 7.
19.
Гейзенберг В. Физика и философия // Физика и философия.
М., 1989.
20.
Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. – М.:
Прогресс, 1985.
21.
Бор Н. Атомная физика и человеческое познание // Единство
знаний. М., 1961.
22.
Дирак П. Принципы квантовой механики. М., 1987.
23.
Барашенков В.С. Кварки, протоны, Вселенная. – М.: Знание,
1987.
24.
Блохинцев Д.И. Принципиальные вопросы квантовой
механики // Иллюзия детерминизма. Классическая механика и
причинность. Причинность в квантовой механике. М., 1987.
25.
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика? М.,
1972.
26.
Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и
машине. М., 1968.
27.
Винер Н. Творец и робот. М., 1966.
28.
Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии.
М., 1999.
173
29.
Эшби У.Р. Введение в кибернетику. М., 1959.
30.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: новый диалог
человека и природы. М., 1986.
31.
Хакен Г. Синергетика, М., 1980.
32.
Хакен Г. Основные понятия синергетики// Синергетическая
парадигма. Многообразие поисков и подходов. – М.: Прогресс-Традиция,
2000.
33.
Картер Б. Совпадения больших чисел и антропологический
принцип в космологии// Космология: теории и наблюдения. – М.: Мир,
1978.
34.
Князева Е.Н. Случайность, которая творит мир (Новые
представления о самоорганизации в природе и обществе), М. Знание, 1991,
№ 7.
35.
Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики.
Режимы с обострением, самоорганизация, темпомиры. – СПб.: Алетейя,
2002.
36.
Берг Р.Л. Генетика и эволюция. Избр. Труды. –
Новосибирск: Наука, 1993.
37.
Брайан Грин. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые
размерности и поиски окончательной теории. – М.: УРСС, 2005.
38.
Бранский В.П. Проблема взаимосвязи причинности и
случайности и ее значение для естествознания//Некоторые философские
вопросы современного естествознания/ Отв.ред. В.И.Свидерский. – Л.:
ЛГУ, 1973. Выпуск 1.
39.
Бранский В.П. Философия физики ХХ века. – СПб.:
Политехника, 2003.
40.
Василькова В.В. Порядок и хаос в развитии социальных
систем. СПб., 1999.
41.
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного
отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь. Соч.
Т.3. М.-Л. 1939.
42.
Завадский К.М. Развитие эволюционной теории после
Дарвина. – Л.: Наука, 1973.
43.
Лоренц К. Агрессия. М., 1994.
44.
Лоренц К. Восемь смертных грехов цивилизованного
человечества / Оборотная сторона зеркала. М., 1988. С.3–60.
45.
Моисеев Н.Н. Человек во Вселенной и на Земле//Вопросы
философии, 1990, № 6.
46.
Уотсон Дж. Воспоминание об открытии ДНК. М., 1969.
47.
Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., 1987.
48.
Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере / Русский
космизм. М., 1993.
174
49.
Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории.
М., 1966.
50.
Сноу Ч. П. Две культуры. М., 1973. С.17–34.
51.
Фейерабенд П. Господство науки – угроза демократии //
Избр. Труды по методологии науки. М., 1986.
52.
Поппер К. Логика и рост научного знания.- М.: Прогресс,
1983.
53.
Мостепаненко А.М. Методологические и философские
проблемы современной физики.- Л.: ЛГУ, 1977.
54.
Мостепаненко М.В. Философия и методы научного
познания. – Л.: Лениздат, 1972.
55.
Рубайлова Н.Г. Формирование и развитие теории
естественного отбора. – М.: Наука, 1981.
56.
Степин В.С. Теоретическое знание. Структура, историческая
эволюция. – М.: Прогресс-Традиция, 2003.
57.
Степин В.С. Философия науки. Общие проблемы.- М.:
Гардарики, 2006.
58.
Хабермас Ю. Будущее человеческой природы. – М.:
Издательство «Весь Мир», 2002.
59.
Хокинг С. Краткая история времени от Большого Взрыва до
черных дыр. – СПб.: Амфора, 2003.
60.
Шкловский И.С. Жизнь. Вселенная. Разум. – М.: Наука,
1987.
61.
Шмальгаузен
И.И.
Факторы
эволюции:
теория
стабилизирующего отбора. – М.: Наука, 1968.
62.
Паркер Б. Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории
строения Вселенной. – СПб.: Амфора, 2000.
63.
Фукуяма Ф. Наше постчеловеческое будущее: Последствия
биотехнологической революции. М., 2004.
64.
Новая философская энциклопедия, в 4-х тт. – М.: Мысль,
2000-2001.
65.
Новая российская энциклопедия, в 12-ти тт. – М.:
Издательство «Энциклопедия», 2005.
Список терминов
ПРИНЦИП ВЕРИФИКАЦИИ – нормативный критерий, согласно
которому научный характер имеют лишь такие высказывания, которые
можно проверить на истинность непосредственным наблюдением.
Недостаток этого принципа заключается в том, что законы науки, как
универсальные высказывания, проверить на истинность наблюдением
принципиально невозможно.
175
ЭТОС НАУКИ - нравственные ценности и моральные ограничения
научного сообщества, связанные с представлениями о роли науки в
общественной жизни, о возможностях и последствиях научного знания.
Дедукция - способ рассуждения, в котором осуществляется переход от
знания общего к знанию частному или единичному. В этом смысле Д.
противопоставляется индукции как переходу от единичного и частного к
общему.
Принцип близкодействия, согласно которому физическое действие
может передаваться только от точки к точке и только с ограниченной
скоростью.
Принцип дальнодействия – передача физического действия
мгновенно, на любое расстояние, через пустоту.
СИММЕТРИЯ - неизменность при каких-либо преобразованиях.
Например, сферическая симметрия тела означает, что вид тела не
изменится, если его вращать вокруг некоторого центра на произвольный
угол.
АСИММЕТРИЯ - отсутствие или нарушение симметрии
ХИРАЛЬНОСТЬ - отсутствие симметрии относительно «правого» и
«левого». Например, если отражение объекта в зеркале отличается от
самого объекта, то ему присуща хиральность.
АДДИТИВНОСТЬ - свойство величин, состоящее в том, что значение
величины, соответствующее целому, равно сумме значений величин,
соответствующих его частям.
РЕДУКЦИОНИЗМ — методологический принцип, согласно
которому сложные явления могут быть полностью объяснены с помощью
законов, свойственных явлениям более простым (например, социальные
явления объясняются биологическими законами).
ВИТАЛИЗМ — философское направление, утверждающее наличие в
организмах нематериальной силы, управляющей жизненными явлениями
— «жизненной силы», «души», «энтелехии», «архея» и др.
КВАЗАР - класс внегалактических объектов, отличающихся очень
высокой светимостью и очень малым угловым размером. Квазары галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная
дыра поглощает окружающее вещество.
НАША ГАЛАКТИКА - называемая также просто Галактика (с
заглавной буквы), — гигантская звёздная система, в которой находится
Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды,
а также огромное количество звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в
виде Млечного пути.
ПУЛЬСАР — космический источник радио-, оптического,
рентгеновского, гамма- излучений, приходящих на Землю в виде
периодически повторяющихся всплесков (импульсов).
176
АТМОСФЕРА — газовая оболочка (геосфера), окружающая Землю.
Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору,
внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
ГИДРОСФЕРА — совокупность всех водных запасов Земли. Принято
деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и
подземные воды.
ПРОКАРИОТЫ, или безъядерные — одноклеточные живые
организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным
клеточным ядром.
ЭУКАРИОТЫ, или ядерные — надцарство живых организмов, клетки
которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и археев, являются
ядерными.
АНАЭРОБЫ — организмы, не требующие для своего развития
наличия в среде молекулярного кислорода.
АЭРОБЫ — организмы, нуждающиеся, в отличие от анаэробов, для
своей жизнедеятельности в свободном молекулярном кислороде. К аэробам
относятся: подавляющее большинство животных, все растения, а также
значительная часть микроорганизмов.
ГЕНОБИОЗ — методологический подход в вопросе происхождения
жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со
свойствами первичного генетического кода.
ГОЛОБИОЗ — методологический подход в вопросе происхождения
жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных
способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного
механизма.
ЛАМАРКИЗМ — эволюционная концепция, основывающаяся на
теории, выдвинутой в начале XIX века Жаном Батистом Ламарком в
трактате «Философия зоологии».
ТЕОРИЯ
КАТАСТРОФ,
КАТАСТРОФИЗМ
—
система
представлений об изменениях живого мира во времени под влиянием
событий, приводящих к массовому вымиранию организмов.
ДАРВИНИЗМ — теория эволюции (исторического развития)
органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина. В
широком смысле нередко употребляется для обозначения эволюционной
теории или эволюционной биологии в целом.
САЛЬТАЦИОНИЗМ — группа эволюционных теорий, по которым
видообразование происходит очень быстро — в течение нескольких
поколений. Процесс связан с появлением новых особей, резко
отличающихся и репродуктивно изолированных от представителей
родительского вида.
СИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ — современная
эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин,
прежде всего, генетики и дарвинизма.
177
МИКРОЭВОЛЮЦИЯ — распространение в популяции малых
изменений в частотах аллелей на протяжении нескольких поколений;
эволюционные изменения на внутривидовом уровне.
МАКРОЭВОЛЮЦИЯ
—
процесс
формирования
крупных
систематических единиц: из видов — новых родов, из родов — новых
семейств и т. д.
АРОМОРФОЗ — прогрессивное эволюционное изменение строения,
приводящее
к
общему
повышению
уровня
организации
и
жизнедеятельности.
ПАЛЕОНТОЛОГИЯ — наука об ископаемых останках растений и
животных, реконструирующая их внешний вид, биологические
особенности, способы питания, размножения и т. д., и восстанавливающая
на основе этих сведений ход биологической эволюции.
МОРФОЛОГИЯ (в биологии) изучает как внешнее (форму,
структуру, цвет) организма, таксона или его составных частей, так и
внутреннее строение живого организма (например, морфология человека).
Подразделяется на наружную морфологию (или эйдономию) и внутреннюю
морфологию (или анатомию).
ЭМБРИОЛОГИЯ — наука, изучающая развитие зародыша.
Зародышем называют любой организм на ранних стадиях развития до
рождения или вылупления, или, в случае растений, до момента
прорастания.
ГЕНЕТИКА — наука о законах и механизмах наследственности и
изменчивости.
ЭКОЛОГИЯ — исследование взаимоотношений живого с
органическими и неорганическими компонентами среды.
БИОЦЕНОЗ - исторически сложившаяся совокупность растений,
животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма
(биотоп) и характеризующихся определёнными отношениями как между
собой, так и с абиотическими факторами окружающей среды.
БИОМАССА (биоматерия, биота) — совокупная масса растительных
и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент
наблюдения.
БИОНТ — отдельный организм, в ходе эволюции приспособившийся
к обитанию в определённой среде (биотопе). Различают аэробионтов
(обитателей суши и воздуха), гидробионтов (живущие в воде организмы)
геобионтов (обитателей почвы), паразитов (обитающих в других
организмах).
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША — место, занимаемое видом (точнее —
его популяцией) в сообществе (биоценозе), комплекс его биоценотических
связей и требований к абиотическим факторам среды.
СРЕДА ОБИТАНИЯ — это часть природы, окружающая живые
организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие.
178
Среда каждого организма слагается из множества элементов
неорганической и органической природы и элементов, привносимых
человеком и его производственной деятельностью.
АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ — компоненты и явления неживой,
неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые
организмы (температура, свет, вода, солёность, кислород, магнитное поле
Земли, почва, влажность).
БИОТИЧЕСКИЕ
ФАКТОРЫ
—
совокупность
влияний
жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других
(внутривидовые и межвидовые взаимодействия), а также на неживую среду
обитания.
ПАРАЗИТИЗМ — один из видов сосуществования организмов.
Паразит использует хозяина как источник питания, среду обитания.
НЕЙТРАЛИЗМ — такое межвидовое взаимодействие, в котором
виды не оказывают никакого воздействия друг на друга.
ПИЩЕВАЯ (ТРОФИЧЕСКАЯ) ЦЕПЬ — ряды видов растений,
животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом
отношениями: пища — потребитель.
ПРОДУЦЕНТЫ (автотрофные организмы или автотрофы) —
организмы, способные синтезировать органические вещества из
неорганических. В основном - зелёные растения. Продуценты являются
первым звеном пищевой цепи.
НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ — переход человеческих
общин от охоты и собирательства к проиводству, основанному на
земледелии и/или животноводстве.
АВСТРАЛОПИТЕКИ — группа ископаемых высших приматов,
кости которых были обнаружены в Африке; жили около 4 млн лет назад.
СИНАНТРОП - «пекинский человек», в современной классификации
— Homo erectus pekinensis, форма (вид или подвид) рода Homo, близкая к
питекантропу, однако более поздняя и развитая.
ПИТЕКАНТРОП - «яванский человек» — ископаемый подвид людей,
который рассматривался как промежуточное звено эволюции между
австралопитеками и неандертальцами.
АРХАНТРОПЫ - древнейшие ископаемые люди, близкие по уровню
эволюционного развития и сформировавшие сходные материальные
культуры (атлантроп, гейдельбергский человек, олдовайский человек,
питекантроп, синантроп и др.). Архантропы представляют начальный этап
процесса антропогенеза, их эволюция привела к возникновению
палеоантропов.
НЕОАНТРОПЫ - обобщенное название людей современного вида
(Homo
sapiens),
ископаемых
и
ныне
живущих.
Основные
антропологические особенности неоантропов, отличающие их от
палеоантропов и архантропов, — больший объем мозга, высокий свод
179
черепа, прямой лоб, отсутствие надглазничного валика, хорошо развитый
подбородочный выступ. Время появления – около 70—60 тыс. лет назад.
НЕАНДЕРТАЛЬЦЫ — ископаемый вид людей (палеоантропов),
обитавших 30—24 тыс. лет назад.
КРОМАНЬОНЦЫ (или Homo sapiens — человек разумный), ранние
представители современного человека, жившие 40-10 тыс. лет назад
(период верхнего палеолита).
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС - изменение среды обитания
популяции, которое ставит под угрозу ее дальнейшее выживание.
КИСЛОТНЫЙ ДОЖДЬ — все виды метеорологических осадков, в
которых понижен показатель pH из-за загрязнения воздуха кислотными
оксидами (обычно — оксидами серы и азота).
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ — повышение температуры нижних
слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то
есть температурой теплового излучения планеты.
ОЗОНОВАЯ ДЫРА — локальное падение концентрации озона в
озоновом слое Земли, в том числе в результате действия антропогенного
фактора (выделения хлор- и бромсодержащих фреонов).
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ – привнесение новых,
не характерных для нее физических, химических и биологических агентов,
или превышение их естественного уровня.
ИНГРЕДИЕНТНОЕ
(ХИМИЧЕСКОЕ)
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
—
увеличение количества химических компонентов среды, а также
проникновение (введение) в неё химических веществ в концентрациях,
превышающих норму или не свойственных ей.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ (ФИЗИЧЕСКИЕ) ЗАГРЯЗНЕНИЯ — шум,
вибрация, тепло, электромагнитные, радиационные поля, вызывающие
деградацию экосистем.
БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ – воздействия на
популяции живых организмов, вызывающие нарушения их состава и
структуры.
ДЕСТРУКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ – техногенное изменение
ландшафта (главным образом, при строительстве), разрушающее
естественные взаимодействия.
УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ — процесс изменений, в котором
эксплуатация природных ресурсов, инвестиции, научно-техническое
развитие, развитие личности и институциональные изменения согласованы
друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал
удовлетворения человеческих потребностей.
КОЭВОЛЮЦИЯ — совместная эволюция видов в экосистеме, в ходе
которой изменения одного вида приводят к изменениям других видов.
НООСФЕРА (антропосфера, социосфера, биотехносфера) — новая
стадия эволюции биосферы; сфера взаимодействия общества и природы, в
180
границах которой разумная человеческая деятельность становится
определяющим фактором развития.
МЕТАГАЛАКТИКА ― часть Вселенной, доступная современным
астрономическим методам исследований. Содержит несколько миллиардов
галактик.
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ — гипотетическое начало расширения
Вселенной, перед которым она находилась в сингулярном состоянии.
СИНЕРГЕТИКА — междисциплинарное направление научных
исследований, задачей которого является изучение природных и
социальных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации
систем.
САМООРГАНИЗАЦИЯ — процесс упорядочивания системы за счёт
внутренних факторов, без внешнего воздействия.
ФЛУКТУАЦИИ — случайные отклонения от среднего значения
физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц.
ТОЧКА БИФУРКАЦИИ — критическое состояние системы, при
котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и
возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим
или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности.
ТЕРМОДИНАМИКА — раздел физики, изучающий тепловые
явления и отношение теплоты к другим формам энергии.
ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ — свободно обменивающиеся энергией,
веществом и информацией с окружающей средой. В открытых системах
может
происходить
самоорганизация,
усложнение,
спонтанное
возникновение порядка.
ЗАКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ — те, в которых отсутствует обмен
энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Для закрытых
систем характерно увеличение беспорядка (согласно второму закону
термодинамики).
ЭНТРОПИЯ — мера необратимого рассеивания энергии, хаотизации
и дезорганизации системы.
ПЛАЗМА — в физике и химии полностью или частично
ионизированный газ. Четвёртое (после твёрдого, жидкого и газообразного)
агрегатное состояние вещества.
РАДИОАКТИВНОСТЬ — спонтанное превращение атомного ядра в
другое ядро или другие ядра, в ходе которого испускаются те или иные
частицы (электроны, нейтрино, альфа-частицы, фотоны).
АЛЬФА-РАСПАД - самопроизвольный распад атомного ядра на
дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).
БЕТА-РАСПАД - радиоактивный распад, сопровождающийся
испусканием из ядра электрона и антинейтрино.
АЛЬФА-ЧАСТИЦА
положительно
заряженная
частица,
образованная двумя протонами и двумя нейтронами; ядро атома гелия-4.
181
Образуется при альфа-распаде ядер. Поток альфа-частиц называют альфалучами.
ДЕЛЕНИЕ ЯДРА — процесс расщепления атомного ядра на два ядра
с близкими массами, называемых осколками деления.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ (ядерная реакция синтеза) —
разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра
объединяются в более тяжелые ядра.
УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ — синтез более
тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии,
который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в
термоядерном оружии), носит управляемый характер.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА – минимальная энергия, необходимая для
того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и
нейтроны).
ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ — последовательность единичных
ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся
как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером
цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых
элементов, при которой основное число актов деления инициируется
нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.
ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — множество атомов с одинаковым
зарядом ядра (числом протонов, совпадающим с порядковым или атомным
номером в таблице Менделева).
ИЗОТОПЫ — разновидности атомов (и ядер) одного химического
элемента с разным количеством нейтронов в ядре.
ПОЛИМЕР — высокомолекулярное соединение, вещество с большой
молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов),
молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся групп
атомов, соединенных между собой в длинные линейные, разветвленные и
трёхмерные структуры.
СМЕСЬ — материал, состоящий из двух или нескольких веществ,
хаотично чередующихся друг с другом в пространстве.
ЗАКОН КРАТКИХ ОТНОШЕНИЙ - если два химических элемента
образуют друг с другом несколько химических соединений, то на единицу
массы одного из них приходятся такие массы другого, которые соотносятся
между собой как простые целые числа. Закон обусловлен существованием
атомов.
ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ - все вещества реагируют между собой в
эквивалентных количествах; массы реагирующих между собой веществ
пропорциональны молярным массам их эквивалентов.
ЗАКОН АВОГАДРО — в равных объёмах различных газов, взятых
при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число
молекул.
182
ЗАКОН ГЕССА — основной закон термохимии: количество теплоты,
выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, не зависит
от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в
несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные
состояния веществ одинаковы).
ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ — химическая реакция,
сопровождающаяся выделением теплоты.
ЭНДОТЕРМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ – химическая реакция,
сопровождающаяся поглощением теплоты.
ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЕ — БРАУНА — если на систему,
находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из
условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается
таким образом, чтобы компенсировать изменение.
ВАНТ-ГОФФА ПРАВИЛО - при повышении температуры на 10°С
скорость химической реакции увеличивается примерно в 2—4 раза.
КАТАЛИЗ — изменение скорости химической или биохимической
реакции в присутствии веществ, количество и состояние которых в ходе
реакции не изменяются (катализаторов и ингибиторов).
ФЕРМЕНТЫ (ЭНЗИМЫ) — белковые молекулы, или молекулы РНК
(рибозимы), или их комплексы, ускоряющие (катализирующие)
химические реакции в живых системах.
ГОМЕОСТАЗ — саморегуляция, способность открытой системы
сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством
скоординированных
реакций,
направленных
на
поддержание
динамического равновесия. Гомеостаз популяции — способность
популяции поддерживать определённую численность своих особей.
БИОПОЛИМЕРЫ — класс полимеров, встречающихся в природе в
естественном виде, входящих в состав живых организмов: белки,
нуклеиновые кислоты, полисахариды.
КЛЕТКА — элементарная единица строения и жизнедеятельности
всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о
неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ,
способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и
развитию. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и
жизнедеятельности клеток, получил название цитологии.
ТКАНЬ — совокупность клеток и межклеточного вещества,
объединенных общим происхождением, строением и выполняемыми
функциями. Строение тканей живых организмов изучает гистология.
ПОПУЛЯЦИЯ – совокупность живых существ с единым генофондом,
скрещивающихся и населяющих одну территорию.
ВИД — таксономическая, систематическая единица; группа особей с
общими морфофизиологическими, биохимическими и поведенческими
признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду
183
поколений плодовитое потомство, распространённая в пределах
определённого ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов
внешней среды.
ОСОБЬ - отдельный живой организм (растение или животное), в том
числе отдельно взятый человек как представитель человеческого рода.
БИОГЕОЦЕНОЗ - биоценоз, который рассматривается во
взаимодействии с абиотическими факторами, влияющими на него и в свою
очередь
изменяющимися
под
его
воздействием;
устойчивая
саморегулирующаяся экологическая система, в которой органические
компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими
(вода, почва).
ЭКОСИСТЕМА — группа организмов разных видов, связанных
между собой круговоротом веществ.
БИОСФЕРА — оболочка Земли, заселённая живыми организмами,
находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их
жизнедеятельности; «пленка жизни» на поверхности Земли; глобальная
экосистема Земли.
БЕЛКИ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные
органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной
связью аминокислот.
АМИНОКИСЛОТЫ (аминокарбоновые кислоты) — органические
соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные
и аминные группы.
НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ
—
высокомолекулярные
органические соединения, биополимеры. Нуклеиновые кислоты — ДНК и
РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют
важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной
информации.
АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ — гетероциклические органические
соединения, производные пиримидина и пурина, входящие в состав
нуклеиновых кислот. Для сокращенного обозначения пользуются
большими латинскими буквами. К азотистым основаниям относят аденин
(A), гуанин (G), цитозин (C), которые входят в состав как ДНК, так и РНК.
Тимин (T) входит в состав только ДНК, а урацил (U) встречается только в
РНК.
ГЕН - структурная и функциональная единица наследственности,
контролирующая развитие определенного признака или свойства;
материальный носитель наследственной информации; участки ДНК,
несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной
молекулы белка или одной молекулы РНК.
ТРАНСКРИПЦИЯ — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в
качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос
генетической информации с ДНК на РНК.
184
ТРАНСЛЯЦИЯ - осуществляемый рибосомой синтез белка из
аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК;
финальная стадия реализации генетической информации.
ДЕТЕРМИНИЗМ — философское учение о всеобщей причинной
(закономерной) обусловленности любого явления или события.
ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ — утверждение, что любая новая
научная теория в предельном приближении (частном случае) должна
переходить в прежнюю. Например, в случае скоростей, малых в сравнении
со скоростью света, теория относительности Эйнштейна находится в
согласии с механикой Ньютона.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ — теория в
квантовой механике, согласно которой квантовый объект (электрон,
например) можно рассматривать и как частицу, и как волну.
ГИПОТЕЗА ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ – утверждает, что любая
материальная частица обладает волновыми свойствами.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН — наложение волн, при котором
происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и
ослабление – в других.
ДИФРАКЦИЯ ВОЛН – «огибание» волнами препятствий (в
частности, захождение света в область геометрической тени); в более
широком толковании широкий круг явлений, возникающих при
распространении волн в неоднородных средах.
ФОТОЭФФЕКТ — испускание электронов веществом под действием
света (электромагнитного излучения).
ВИРТУАЛЬНАЯ ЧАСТИЦА — в квантовой теории поля объект,
обладающий квантовыми числами реальных элементарных частиц, но не
подчиняющийся закону связи между энергией, импульсом и массой
(нарушение закона возможно благодаря принципу неопределенности
Гейзенберга); представление о них используется для описания физического
взаимодействия.
СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ – фундаментальные
соотношения квантовой механики, устанавливающие предел точности
одновременного определения так называемых дополнительных физических
величин, характеризующих систему (например, координаты и импульса). В
упрощённой формулировке эти соотношения утверждают, что
дополнительные физические величины не могут быть одновременно
определены сколь угодно точно.
ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ - для полного описания
квантовомеханических
явлений
необходимо
применять
два
взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий.
КОНСУМЕНТЫ — организмы, неспособные синтезировать
органические вещества из неорганических. Потребляют органические
вещества в готовом виде.
185
РЕДУЦЕНТЫ (деструкторы, сапротрофы, сапрофиты, сапрофаги) —
микроорганизмы (бактерии и грибы), разрушающие остатки мёртвых
растений и животных и превращающие их в неорганические соединения.
ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ — условная единица, обозначающая
удалённость от продуцентов в трофической цепи данной экосистемы.
Закон экологической пирамиды - если количество энергии,
продукции, биомасс или численность организмов на каждом трофическом
уровне изображать в виде прямоугольников в одном и том же масштабе, то
их распределение будет иметь вид пирамиды.
Правило пирамид энергии - количество энергии, содержащейся в
организмах на любом последующем трофическом уровне цепи питания,
меньше ее значений на предыдущем уровне.
Закон минимума Либиха (в экологии) - существование и
выносливость организма определяются самым слабым звеном в цепи его
экологических потребностей; жизненные возможности организмов
ограничены экологическими факторы, количество и качество которых
близки к минимуму, необходимому организму или экосистеме.
Закон толерантности Шелфорда (в экологии) - существование вида
определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в
минимуме, но и в максимуме.
Предел толерантности - диапазон экологического фактора между
минимальным и максимальным значениями, в пределах которого возможна
выживаемость организма.
Антропогенные факторы — совокупность факторов окружающей
среды, обусловленных деятельностью человека.
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ
РАВНОВЕСИЕ
количественное
и
качественное соотношение естественных и измененных человеком
экологических компонентов и природных процессов, приводящее к
длительному существованию экосистемы данного вида или к ее эволюции
в ходе сукцессии.
Генотип — совокупность генов данного организма, характерная для
отдельной особи.
Фенотип — совокупность характеристик, присущих индивиду на
определённой стадии развития в ходе онтогенеза. Фенотип формируется на
основе генотипа, опосредованного рядом факторов внешней среды.
Генофонд — понятие популяционной генетики, описывающее
совокупность всех генных вариаций (аллелей) определённой популяции.
Можно также говорить о едином генофонде вида, так как между разными
популяциями вида происходит обмен генами.
Геном — совокупность всех генов данного вида организмов; его
полный хромосомный набор.
Кариотип — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.)
полного набора хромосом, присущего клеткам данного биологического
186
вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип)
или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и
визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
Аллели (аллеломорфы) — различные формы одного и того же гена,
расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных)
хромосом; определяют варианты проявления одного и того же признака. В
диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в
этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что
приводит к гетерозиготному организму.
Аллельные гены — это варианты данного гена, несколько
отличающиеся последовательностью нуклеотидов, отвечающие за развитие
одного и того же признака и расположенные в одинаковых локусах
гомологичных хромосом.
Гомозиготный организм — организм, имеющий две идентичные
копии данного гена в гомологичных хромосомах.
Гетерозиготный организм — организм, имеющий две различные
формы данного гена (разные аллели) в гомологичных хромосомах.
Рецессивный аллель - аллель, кодирующий признак, который
проявляется только у особей, несущих этот аллель в гомозиготном
состоянии.
Доминирующий аллель — ген, продуцирующий один и тот же самый
фенотип независимо от того, является он гетерозиготным или
гомозиготным.
Изменчивость — вариабельность (разнообразие) признаков среди
представителей данного вида.
Живое вещество — вся совокупность живых организмов в биосфере,
вне зависимости от их систематической принадлежности.
БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО - вещество, возникшее в результате
жизнедеятельности организмов, например, уголь, нефть и т. п.
КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО - небиогенные минералы и горные породы,
образовавшиеся в основном или глубже биосферы (вне области жизни) или
в пределах биосферы, но без участия живого вещества. Косное вещество во
много раз превышает массу живого вещества.
БИОКОСНОЕ ВЕЩЕСТВО (по В.И.Вернадскому) - вещество,
которое создается одновременно живыми организмами и процессами в
косном веществе.
КОСМИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО - отдельные атомы и молекулы,
входящие в ионосферу из солнечного и космического излучения.
Биогенная миграция атомов – постоянный круговорот активных
элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и
снова в организм.
Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского—Бауэра):
любая биологическая и «бионесовершенная» система с биотой, которая
187
находится в состоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного
равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние
на среду.
Закон постоянства живого вещества биосферы В.И.Вернадского (в
экологии) - количество живого вещества в биосфере постоянно; любое
изменение количества живого вещества в одном месте биосферы
неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в другом
месте, но с обратным знаком.
Гелиобиология - раздел биофизики, изучающий влияние изменений
активности Солнца на земные организмы.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ - трансформация поступающей на
Землю энергии солнечной радиации в энергию химических связей;
осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза; энергия
либо расходуется на процессы жизнедеятельности всех живых организмов,
либо выделяется в форме теплоты, либо консервируется в земной коре в
виде залежей угля, нефти, торфа.
188