Тема1 Естественно – научная картина Мира
advertisement
ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ ТАДЖИКСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА КОММЕРЦИИ Гаффоров А., Иброгимов И. И. Учебно-методический комплекс ХУДЖАНД, 2013 ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ ТАДЖИКСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА КОММЕРЦИИ Гаффоров А., Иброгимов И. И. Учебно-методический комплекс ХУДЖАНД, 2013 ББК 74.264/265.7 Ѓ - 24 Концепции современного естествознания / Учебно – методический комплекс / авторы: Гаффоров А., Иброгимов И.И. / Худжанд, 2013. – 146 с. Научный редактор: Салимов И. И. – к.т.н., доцент Рецензенты: Латипов Дж. Л. – к.ф.-м.н., профессор Кобилов Н. К. – к.х.н., доцент Технический редактор: Гаффоров К. Дж. Компьютерная верстка: Абдуллоева М. Учебно – методический комплекс подготовлен на основе требований кредитной системы образования для студентов всех специальностей. Материалы данного комплекса в объёме 32 часов (2 кредита) посвящены основным концепциям современного естествознания, в том числе проблемам относительности пространства и времени, атомизма и элементарных частиц, космологии и космогонии, эволюции живых систем, самоорганизующих синергетических систем, экологии и биотехнологии. Пособие может быть полезным также магистрантам, аспирантам, соискателям, преподавателям и широкому кругу читателей. СОДЕРЖАНИЕ Предисловие………………………………………………………….7 Тема 1. Естественно – научная картина Мира………………….10 1. Предмет и цели естествознания. Периоды и этапы развития естествознания………………………………………………….10 2. Научные основы естественно – научных картин Мира……...14 3. Методологические проблемы естествознания………………..19 4. Революционные периоды развития естествознания………….20 Тема 2. Современная физическая картина Мира. Концепция относительности пространства и времени………………………22 1. Понятия пространства и времени в классической механике…. 2. Основные понятия и принципы специальной теории относительности Эйнштейна………………………………………. 3. Общая теория относительности Эйнштейна…………………… 4. Общенаучные выводы из теории относительности Эйнштейна Тема 3. Современная физическая картина Мира. Создание квантовой механики и новая концепция атомизма…………. 1. Основные понятия и принципы квантовой физики. Гипотезы Планка и де - Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга……………………………………………………….. 2. Открытие электрона и новая концепция атомизма……………. 3. Строение атома. Мир элементарных частиц. Кварковая модель элементарных частиц……………………………………………. 4. Методологические установки современной физики………….. Тема 4. Современная химическая картина Мира…………….. 1. Основные периоды развития и становления современной химии…………………………………………………………. 2. Квантовая механика – теоретическая основа химии 20 века 3. Строение молекул, химические связи и их виды………….. 4. Роль и место химии в человеческом обществе……………. Тема 5. Современная астрономическая картина Мира. Основы космологии 20 века………………………………………………… 1. Стандартная модель эволюции Вселенной и «концепция большого взрыва»…………………………………………….. 2. «Эффект красного смещения» и реликтовое излучение…… 3. Возраст и сценарий будущего Вселенной…………………… 4. Открытия в современной космологии и их мировоззренческое значение……………………………………………………….. Тема 6. Современная астрономическая картина Мира 1. Звёздная и планетная космогония………………………….. 2. Проблема жизни и разума во Вселенной и внеземные цивилизации…………………………………………………. 3. Солнечная система и её происхождение. Строение и геологическая история Земли………………………………. 4. Методологические установки астрономии 20 века………. Тема 7. Современная биологическая картина Мира 1. Пути развития современной биологии и её основные принципы…………………………………………………….. 2. Революция в молекулярной биологии второй половины 20 в. 3. Живая природа, её отличительные свойства и уровни организации…………………………………………………. 4. Возникновении жизни на Земле. Концепция происхождения человека, социальных отношений, разума и языка………… Тема 8. Естествознание 21 в. и будущее цивилизации 1. 2. 3. 4. Особенность естествознания 21 в………………………….. Концепция самоорганизации в науке……………………… Естествознание и будущее цивилизации………………….. Современная биотехнология и будущее человечества……. Литература………………………………………………………… Глоссарий………………………………………………………….. ПРЕДИСЛОВИЕ В течении своей многовековой истории человечество приложило много усилий для накопления, усвоения и применения самого бесценного богатства на Земле - знаний. Естествознание является важнейшей частью этого, поистине бесценного, богатства. Если взглянуть в историю развития естествознания, то становится ясным, что во все времена оно являлось основным средством и фактором общественного прогресса. Научные открытия и их практическое применение имели большое влияние на судьбы отдельного человека и общества в целом. Открытие законов классической механике в 17 в. привело к созданию механизмов и машин, открытие электромагнитных волн во второй половине 19 в. - к появлению электротехники, радиотехники и радиоэлектроники, создание теории атома, в начале 20 в. - к использование атомной энергии, открытие тайн наследственности во второй половине 20 в. - к рождению генетики и генной инженерии и т.д. Перечисление таких примеров можно продолжить. В 21 в. эта тенденция сохранится, но общий или обобщающий вывод состоит в том, что научные достижения рано или поздно будут внедрены на практические цели, т.е. роль науки в человеческом обществе постоянно возрастает. Современное естествознание как разностороннее теоретическое и практическое исследование возникло в эпохе Возрождения, имеет более чем 500-летнюю историю и являясь системой наук о природе, изучает и исследует вещества и явления природы и Вселенной в целом. В настоящее время современное естествознание считается фундаментом научно-технического прогресса и научной основой диалектического познания природы. Поэтому изучение и усвоение его важнейших концепций имеет огромное значение для расширения кругозора человека, его культуры мышления и научного мировоззрения. В связи с вышесказанным, отрадно, что в последние годы в учебные планы гуманитарных факультетов вузов Республики Таджикистан включен предмет «Концепции современного естествознания». Так как слово «концепция» буквально означает «совокупность или система взглядов по какой либо проблеме», то название предмета примерно можно расшифровывать так «Система взглядов современной науки о природе и мира в целом». Структура курса дана на рис. 1. Рис. 1. Структура курса «Концепции современного естествознания» Данное учебное пособие создано в соответствии с требованиями кредитной системы образования в форме учебнометодического комплекса в объёме 32 часов (2 кредита) и посвящено важнейшим концепциям современного естествознания, в том числе проблемам относительности пространства и времени, атомизма и элементарных частиц, космологии и космогонии, эволюции живых систем, структуре и эволюции самоорганизующих систем и т.д. Пособие, которое Вы имеете на руках, даёт каждому из вас возможность ознакомиться с основными принципами современного естествознания и даёт правильное представление о реальной естественно - научной картине Мира. В заключении выражаем свою искреннюю благодарность уважаемым рецензентам кандидату физико-математических наук, профессору Латипову Дж. Л. и кандидату химических наук, доценту Кобилову Н.К. за ценные советы и замечания по содержанию книги, которые нами уже учтены. Выражаем большую признательность кандидату технических наук, доценту Салимову И.И., взявшему на себя огромный труд научного редактирования данного учебного пособия. Также выражаем свою благодарность техническому редактору Гаффорову К.Д. и компьютерному дизайнеру Абдуллоевой М. за подготовку данного пособия к изданию. Авторы Тема 1. Естественно – научная картина Мира План темы: 1. Предмет и цели естествознания. Периоды и этапы развития естествознания. 2. Научные основы естественно – научных картин Мира 3. Методологические проблемы естествознания 4. Революционные периоды развития естествознания 1. Предмет и цели естествознания. Периоды и этапы развития естествознания. Естествознание является системой наук, предметом изучения и исследования которого есть явления и процессы, протекающие в природе и во всей Вселенной. При этом природа и Мир как предмет естествознания рассматривается не абстрактно и вне деятельности человека, а конкретно и под его влиянием. Здесь следует отметить ситуацию, сложившееся в науке в последние годы. Сложность и противоречивость нынешнего состояния науки заключается в том, что она, очевидно, является одной из причин возникновения глобальных (например, экологических) проблем современного общества. Как следствие, у современных людей наука вызывает не только восхищение, но и опасения. Многие думают, что наука приносить человеку не только блага, но и несчастья. Между тем, без науки и ее дальнейшего развития решение этих проблем в принципе невозможно. Поэтому роль науки постоянно возрастает и умаление роли науки в наше время чрезвычайно опасно, так как такое отношение к науке обезоруживает человека перед нарастанием глобальных проблем современности. С сожалением можно констатировать, что такое умаление роли науки имеет место и сегодня, в начале 21 века, однако оно имеет и свои объективные причины. Как известно, наука и естествознание в том числе, является компонентом духовной культуры и процессы, которые происходят в системе культуры, так или иначе отражаются и на науку. Так, например, очередной всплеск мифологизации в духовной культуре конца 20 и начала 21 века сказался и на современной науке. Причина в том, что в наши дни, в системе духовной культуры, сочетаются элементы, принадлежащие к совершенно разным и, в принципе, несовместимым друг другу формам сознания – науке и мифологии. Теперь к классической мифологической триаде (60 – ых годов 20 столетия) чудовища озера Лох – Несс, снежного человека и бермудского треугольника добавились новые мифы об НЛО, полтергейтс (перемещение тел под действием неизвестных сил), реинкарнация (жизнь после смерти) и тому подобное. Одновременно наблюдается появление старых, можно сказать традиционных форм оккультизма, магии, астрологии (предсказания по звездам), спиритизма (контакты с духами умерших) и т. д. Ответом науки на эти явления может быть единственным – она (т.е. наука) не волшебная палочка или ключик, которым в мгновение ока можно объяснить все тайны природы. Ряд явлений природы пока научно не объяснены не потому что они в принципе непознаваемы, а потому что пока не сформировались способы и методы их познания. Однако, с уверенностью можно сказать: все что не познано сегодня, будет объяснено в будущем. Основой этой уверенности является история естествознания, которая убедительно показывает силу и мощь человеческого мышления. Именно поэтому естествознание сегодня признается фундаментом научно – технического прогресса и научной основой диалектического познания природы. Современное естествознание как разностороннее практическое исследование природы возникло в конце 15 в. на основе тех знаний о природе, которые накапливались человечеством и передавались из поколения в поколение. Естествознание преследует, в основном, две цели: а) определить сущность явлений природы, открыть и изучить закономерности этих процессов и, на этой основе, предсказать или открывать новые явления и новые вещества природы; б) определить пути и способы использования установленных законов, новых явлений, сил и веществ природы на благо человека. Таким образом, если познание законов природы является непосредственной ближайшей целью естествознания, то их практическое внедрение является его конечной целью. История развития естествознания теснейшим образом связана с историей человеческого общества, так как каждому периоду и этапу развития общества, каждому уровню и каждой ступени развития производительных сил и техники приходится соответствующий период развития естествознания. Периоды развития естествознания до конца 15 в. можно рассматривать как зачаточные или подготовительные периоды к систематическому исследованию природы. Обычно различают следующие периоды развития естествознания: Первый подготовительный период, называемый натурфилософский, соответствует периоду древнего мира, в недрах которого образовались элементы будущего естествознания. В течении этого периода наблюдается слабое развитие техники. Однако имели место отдельные технические изобретения, начали развиваться статика как раздел будущей механики, астрономия как самостоятельный раздел науки и математика как язык науки. Физика и медицина находились в зачаточном состоянии. Химия стала развиваться в направлении алхимии. Данный период характеризуется тем, что все научные знания о природе были объединены в рамках единой, неразделимой и подчиненной философии науки, называемой натуральной философией. Второй подготовительный период в естествознании соответствует периоду господства схоластики и теологии в Западной Европе и открытиям на Востоке. В западных странах наука стала приложением теологии (астрология, алхимия, магия и т.д.). Техника развивалась слабо и не нуждалась в исследовании природных явлений и, как следствие, не имела достаточное влияние на развитие естественно – научных знаний. Тем не менее, и в этот период происходило постепенное накапливание знаний, что способствовало переходу к следующим периодам развития науки. Механистический и метафизический период в естествознании, начало которого совпало с возникновении науки как систематическое исследование природы, по своей направленности можно назвать революционным периодом. Так как господствующим методом мышления считалось метафизика, этот период можно назвать и метафизическим (метафизика – метод познания, противоположная диалектике и объясняющая явления вне их взаимосвязи, противоречия и развития). Естествознание этого периода можно считать механистическим, так как все природные процессы рассматривались исключительно с точки зрения механики. Однако на поздних этапах данного периода благодаря открытию анализа бесконечно малых величин в математике (Ньютон и Лейбниц), космогонической гипотезы Канта и Лапласа, аналитической геометрии Декарта, молекулярно – кинетической теории Ломоносова и теории развития Вольфа в биологии метафизическому взгляду был нанесён смертельный удар. Окончательный удар метафизике был нанесён в середине 19 века открытием теории клеток, учением о превращении энергии и эволюционной теорией Дарвина. В дальнейшем были сделаны открытия, позволившие полнее объяснить диалектику природы. Важнейшими из них являются: теория строения органических химических соединений (Бутлеров), периодическая система элементов (Менделеев), химическая термодинамика (Гиббс), основы научной физиологии (Сеченов), электромагнитная теория света (Максвелл) и др. Революционный период в естествознании связано прежде всего с развитием физики. Физика со времен Ньютона стала лидером в естествознании и играла роль фундамента для других областей науки. Например, изобретение микроскопа и применение метода меченных атомов произвело революцию в биологии, физиологии и биохимии. Физические методы исследования обеспечили значительные достижения в химии, геологии и астрономии, способствовали развитию науки в области исследования и завоевания космоса. Первый революционный этап в физике, и в естествознании в целом, связан с такими величайшими открытиями как электромагнитных волн (Герц), коротковолновых электромагнитных излучений (Рентген), радиоактивности (Беккерель), электрона (Дж. Томсон), давление света (Лебедев), теории относительности (Эйнштейн), радиоактивный распад (Резерфорд и Содди), радио (Попов), генетика (Мендель), модель строения атома (Резерфорд и Бор) и т.д. Этот период завершается упадком метафизических представлений о материи, ее строений, свойствах и форм движений и принципах относительности пространства и времени. Второй революционный этап в естествознании начинается в середине 20- х годов 20-ого века в течении которого (вплоть до конца 30 – х годов) на основе квантовой механики и теории относительности создается общая квантово-релятивистская концепция физического мира, идет дальнейшее ускоренное развитие всего естествознания, в результате которых понятия и представления, основанных на классической механике переходят на задний план. Начало третьего революционного этапа в естествознании совпадает с периодом освоения атомной энергии (1939 г.) и последующих исследований в результате которых будут созданы кибернетика и ЭВМ (1940 – 1946 г.). Особенность этого этапа заключается в том, что теперь наряду с физикой и другая группа наук, в том числе биология (в особенности молекулярная биология и генетика), химия (в первую очередь микрохимия и химия полимеров), а также родственные естествознанию кибернетика и космонавтика становятся лидерами в естествознании. Если в начале 20 века физика развивалась самостоятельно, то с середины 20 века революция в естествознании сопровождается с революцией в области техники, что приводить к научно – технической революции. С практической точки зрения в будущем решающую роль будут играть фундаментальные науки, без которых развитие современной техники и технологии становится невозможным. Во все времена главной и значимой частью мировоззрения человека, была и остается научная картина Мира, основу которой составляют научные достижения естественных и общественных наук данного периода истории общества. 2. Научные основы естественно – научных картин Мира Естественно – научная картина мира – это представление, основанное на знаниях в области естествознания. Обычно в становление этой картины главную роль играют концепции той области науки, которая в определенном историческом этапе получила большее развитие и признана лидером среди наук. Очевидно, что именно лидирующие науки определяют основу научного мировоззрения ученых и простых людей данного времени. Начиная с 17-ого века по настоящее время физика признана лидером среди естественных наук, так как в течении этих 300 лет основные величайшие открытия, которые изменили представление человека о природе, были сделаны в области физики. Конечно и в других областях естествознания (в особенности в биологии) были получены революционные достижения, однако в течении этих лет физика сохраняла свое лидирующее положение. Есть мнение, что в 21- ом веке роль лидера науки возьмет на себя биология. Возможно это так, однако исследования и первые результаты, полученные на большом адронном коллайдере Европейского центра ядерных исследований в Швейцарии (ЦЕРН) говорят о том, что физика еще не намерена уступать свое лидирующее положение в науке. Научная картина мира предложенная естествознанием имеет заметное влияние на другие, в том числе социальные и гуманитарное науки. Более того, именно концепции и методы исследования природы и естественно - научные картины Мира определяют научную атмосферу и мировоззрение данного исторического периода. В течении долгого времени, занимающий большую часть истории человечества, знания не были научными в полном смысле этого слова. По большому счету представления древних людей о природе и Мире, их происхождении и строения были знания в виде мифов, и передавались они из поколения в поколение посредством обрядов, рассказов и сказаний. Первая естественно - научная картина Мира, основу которой составляли знания древнегреческих учёных, получило названия натурфилософская картина Мира. Натурфилософия буквально означат натуральную философию или философию природы и до эпохи Возрождения (15-16 в.в.) включала всю науку о природе. В 17-ом веке с появлением экспериментального естествознания, и прежде всего классической механики, прежнюю картину заменила механистическая картина Мира, так как изучение природы началось с исследования простейшей формы движения материи -механистического движения (перемещения) тел. Основу этой картины составляет классическая механика Ньютона. Преимуществом этой картины мира по сравнению с натурфилософской заключается в том что теперь критерием истинности становится только и только эксперимент и измерение физических величин. Рис. 2. Спектр электромагнитных волн. Во второй половине 19-ого века после создания теории электромагнетизма и открытия электромагнитных волн возникает электромагнитная картина Мира. Было показано, что в мире существуют не только вещества в виде различных тел, но также объективно существуют различные физические поля. Другими словами не только вещества, но и физические поля являются реальными формами существования материи. После того как, наряду с веществами и физические поля стали объектами изучения физики, картина Мира стала более сложной и вместо с тем более разнообразной и естественной. Обычно говорят, что электромагнитная картина Мира заменила механистическую картину. На наш взгляд будет более правильным, если сказать, что механистическую картину дополнила электромагнитная картина мира, так как научное представление осталось прежним классическим и макроскопическим. Поэтому научную картину этого периода следует назвать механистическо-электромагнитной картиной Мира. Спектр электромагнитных волн представлен на рисунке 2. В конце 19 в и начала 20 в. ученые, исследуя микромир, обнаружили, совершенно новые явления с удивительными свойствами. Эти открытия коренным образом изменили представления о природе. Теперь, с учетом астрономических открытий и в зависимости от физических свойств явлений и объектов, участвующих в этих явлениях, следует разделить мир на три уровня - микромир, макромир и мегамир. Количественные и численные сведения об этих уровнях мира по размерам, массам, временам и температурам приведены в таблице 1 и на рисунках 3, 4, 5 и 6. Научные представления, основанные на открытиях, теориях и концепциях этого периода, становление которого продолжается до настоящего времени составляет основу современной естественно научной картины мира. Знакомству с этой картиной и ее важнейшими концепциями посвящены последующие темы данной книги. Поэтапное становление естественно - научных картин мира дано на рисунке 7. Таблица 1. Различные уровни Мира Уровни Микромир Макромир Мегамир Условные границы Размер, м Масса, кг -5 r <= 10 m ~ 10-10 r ~ 10-5 - 107 m ~ 10-10 – 1020 r > 107 m > 1020 Рис. 3. Уровни Мира по длине Рис. 4. Уровни Мира по массе Рис. 5. Уровни Мира по времени Рис 6. Уровни Мира по температуре Натурфилософская картина Мира Рис. 7. Формирование естественно - научных картин Мира 3. Методологические проблемы естествознания Методология является философской теорией о принципах и методах научных исследований и в широком смысле означает учение о принципах и методах теоретической и практической деятельности человека. Методологические проблемы стали выходить на передний план в 16 и 17 в. в., когда происходило становление современного естествознания и возникли проблемы о соотношениях научных и натурфилософских методов исследования. И только в 19 веке, благодаря трудам основоположников немецкой классической философии (И. Кант, Г. Гегель и др.), была признана роль диалектики в общих методах познания. Методологические проблемы естествознания рассматривают вопросы, объединяющие все области наук об исследованиях природы, в том числе: раскрытие общей взаимосвязи явлений природы; установление сущности явлений, расширение достигнутых ранее пределов как в глубь материи (микромир), так и в макромир и мегамир; установление неразрывности материи и ее форм существования: движения, пространства, времени; установление объективных противоречий явлений природы и т.д. Объективное решение этих проблем требует принятия системы методологических установок, которые являются важнейшей составляющей частью и общим методологическим принципом каждой области науки. Эти установки играют координирующую роль научной деятельности и способствуют получению достоверных теоретических и практических выводов. По содержанию, методологические установки являются системой представлений об изучаемых объектах и процессах исследования этих объектов и определяют форму и содержание результатов этих исследований. Так как в процессе исторического развития каждой науки рано или поздно исследуемый объект претерпит изменения и процесс изучения также измениться, то система методологических установок определяют исторические и реальные особенности научной деятельности. Более того, место каждой области научных исследований в системе культуры определяется по соответствующим методологическим установкам. Именно поэтому, та область естествознания, методологические установки которой в данный исторический период являются определяющими для всего естествознания, признается лидером науки. Так, начиная с 17-ого века по настоящее время, физика является лидером в естествознании. История естествознания свидетельствует, что предложенные системы методологических установок и её смена совершается в ходе научных революций. 4. Революционные периоды развития естествознания В истории естествознания различают эволюционные и революционные периоды его развития. К научным революциям в естествознании можно отнести создание гелиоцентрической системы Мира (Коперник, 16 в.), открытие законов механики и создание классической механики (Г.Галилей, И.Ньютон, 17 в.), создание классической теории эволюции в биологии (Ч. Дарвин, 19 в.) появление релятивистской физики (А.Эйнштейн), квантовой механики (М Планк, Л. де-Бройл, Н. Бор и др., конец 19 и начала 20 в.в.) и наконец создание молекулярной биологии и генетики (Ф.Крик, Дж. Уотсон и др., 20 в.). Каждый из этих открытий сыграли определяющую роль в развитии и становлении новых методов исследования в данной области естествознания. К сущности научных революций мы еще вернемся в последующих темах данного курса. Пока необходимо только отметить, что научные революции являются такими закономерными процессами, которые периодически совершаются и в ходе которых один метод познания заменяется качественно новым методом. В результате устанавливаются более точные связи и отношения природы и вместо прежних понятий и принципов принимаются новые. Научные революции также имеют свои периоды развития. На первом этапе, в рамках прежних понятий и принципов, возникают новые методы познания природы и этот этап завершается созданием новой теории и разработкой новых методологических установок. На втором этапе принимается качественно новый метод познания и исследуется достоверность новой теории. Этим заканчиваются период научной революции и начинается эволюционный период развития науки. На этом периоде, который является продолжительным во времени, методы познания природы, предложенные в результате научной революции, принимается и используется как новый способ исследования. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа. 1. Что является предметом естествознания? 2. Какие цели преследует естествознание? 3. Разъясните смысл понятия «естественно – научная картина Мира». 4. Расскажите о наличии качественно различающихся структурных уровней Мира – микромир, макромир, мегамир. 5. Что вы знаете о революционных периодах развития естествознания ? Приведите примеры. В) Тестовые вопросы 1. Что является научной основой натурфилософской картины Мира? а) знания ученых средних веков б) знания древнегреческих ученых в) знания ученых 20 века. г) классическая механика 2. Что является предметом естествознания? а) явления живой природы б) явления неживой природы в) явления живой и неживой природы г) земные явления 3. Размеры объектов макромира? а) r <= 10-5 м. б) r ~ 10-5 - 107 м. в) r > 107 м. г) 300 000 м. 4. Размеры объектов микромира? а) r <= 10-5 м. б) r ~ 10-5 - 107 м. в) r > 107 м. г) 300 000 м. 5. Размеры объектов мегамира? а) r <= 10-5 м. б) r ~ 10-5 - 107 м. в) r > 107 м. г) 300 000 м. 6. Какая теория является научной основой механистической картины Мира? а) классическая механика Ньютона б) квантовая механика в) теория электромагнетизма. г) натурфилософская теория Тема 2. Современная физическая картина Мира. Концепция относительности пространства и времени План занятия: 1. Понятия пространства и времени в классической механике 2. Основные понятия и принципы специальной теории относительности Эйнштейна 3. Общая теория относительности Эйнштейна 4. Общенаучные выводы из теории относительности Эйнштейна 1. Понятия пространства и времени в классической механике В механистической картине мира важнейшими понятиями, введенные еще И. Ньютоном, являются «абсолютное пространство» и «абсолютное время». Эти понятия составляют основу механистической концепции пространства и времени, согласно которым «материя», «пространство» и «время» являются не зависимыми друг от друга понятиями. Согласно Ньютону абсолютное пространство является пустое и недвижущее вместилище движущихся тел, а абсолютное время – продолжительность состояния этих тел. Ньютон предполагал, что абсолютные пространство и время являются действительными понятиями, характеризующие реальный Мир, однако их свойства пока не поддаются восприятию, возможно в будущем физики смогут предложить реальные системы, которые характеризовали бы эти понятия. В повседневной же жизни человек имеет дело с относительными движениями, относительным пространством и относительным временем (например, Земля нам кажется покоящаяся а, на самом деле движется вокруг своей оси, вокруг Солнца и т.д.). Для рассмотрения механического движения тел вводится понятие «система отсчета», которая состоит из системы координат и часов. Системы отсчета относительно друг друга могут находиться в состоянии покоя, равномерного и прямолинейного движения или ускоренного движения. Системы отсчета, которые находятся относительно друг друга в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения называются инерциальными системами отсчета. В классической механике имеет место принцип относительности Галилея, который гласит: - в инерциальных системах отсчета никакими механическими опытами не возможно отличить состояния покоя и равномерного прямолинейного движения; - переход из одной инерциальной системы отсчета к другой инерциальной системе отсчета не изменит вид законов механики. Из принципа относительности Галилея следует, что пространство и время являются абсолютными и не зависят друг от друга и от свойств движущихся материальных объектов. Для разъяснения этой ситуации получим более точное определение принципа относительности. Переход из одной инерциальной системы отсчета к другой является одной из форм преобразования координат, называемое преобразованиями Галилея, согласно которым принцип относительности классической механики формулируется как принцип ковариантности законов механики (т.е. при таких преобразованиях математическая запись законов механики не меняет своего вида). Пусть имеются две системы отсчета К и К′. Предположим что система отсчет К покоится, а система отсчета К′ движется относительно К прямолинейно и равномерно с постоянной скоростью V по направлению оси х. Тогда соответствующие оси координат обоих систем будут параллельны друг другу (рисунок 8). Пусть в начальный момент t = t0 начала координат О и О′ совпадают. Выразим координаты точки А в системе К′ с помощью координат этой точки в системе К при t = t′. Так как движение происходить по оси х, то переход из одной системы к другой можно выразить следующими уравнениями : х х Vt; y y; z z. y К y' К' V O' O x' z A x x' z' Рис. 8. Инерциальные системы отсчета К и К′ Если к этим уравнениям добавим очевидное равенство получим полную систему преобразований Галилея : t t , то х x Vt ; у y; z z; t t. (1) Легко можно показать, что законы механики являются ковариантными относительно этих преобразований. Например, основной закон механики – второй закон Ньютона в обоих системах К и К′ имеют одинаковый вид: F m d 2x d 2 x m dt 2 dt 2 Из преобразований Галилея следует, что пространственные и временные координаты в уравнениях (1) неравносильны, т.е. x' зависит от x и t , однако t' зависит только от t и не зависит от x. Таким образом, время рассматривается как величина самостоятельная и не зависящая от пространства. Основными измеряемые характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и длительность во времени между двумя событиями (промежуток). Из преобразований Галилея следует, что длина и промежуток времени имеют абсолютный характер. В самом деле, из равенства t' = t следует абсолютность времени, т.е промежуток времени не зависит от системы отсчета и одинаков во всех системах. Для доказательства абсолютности длины рассмотрим отрезок АВ, параллельный оси х (рис. 9). y y' A В x1,x1' x2,x2' O' O x, x' V z z' Рис. 9. Равенство длины отрезка АВ в инерциальных системах отсчета К и Кꞌ Обозначим координаты начала и конца отрезка в системах К и К′, соответственно, x1, x2 и x1', x2'. Тогда длина отрезка АВ в системе координат К будет равно x2 – x1, а в системе К′ x2' – x1'. Переходя из системы К′ к системе К с помощью преобразований (1) получим: х2 х ( х2 Vt ) ( х2 Vt ) х2 х1. Видно, что длина отрезка в системе К' x2' – x1' и в системе К x2 – x1 равны друг другу, т.е. длина имеет абсолютный характер и не зависит от систем отчета. Таким образом, в классической механике пространство и время являются исключительно абсолютными понятиями и не зависят друг от друга. Кроме того, предполагается, что пространство и время также не зависят от свойств материальных объектов. 2. Основные понятия и принципы специальной теории относительности Эйнштейна Еще тогда, когда в естествознании господствовала механистическая картина Мира и все известные явления природы получали объяснение в рамках законов классической механики, принцип относительности Галилея воспринимался однозначно положительно. Согласно этому принципу, если тело одновременно участвует в двух видах движения, то его общая скорость будет равна сумме или разности скоростей (V ± v). Однако, когда физики приступили и изучению электрических, магнитных и оптических явлений, то ситуация резко изменилась. Создание теории электромагнитных волн и экспериментальное подтверждение реальности их существования привело к очевидному вопросу: Выполняется ли принцип относительности Галилея, который имеет место для механических явлений и для электромагнитных явлений? Дело в том, что в уравнениях теории электромагнетизма (уравнения Максвелла) появляется постоянный коэффициент, который является скоростью света и приблизительно равно c ≈ 300000 км/с. Возникает естественный вопрос: скорость света относительно чего, какой системы? Ответ также должен быть естественным - относительно абсолютного и не подвижного пространство или эфира (начиная с Ньютона световую волну рассматривали как колебание некой универсальной и неподвижной среды – эфира). Если это так, то согласно принципу относительности Галилея в произвольной системе отсчета, движущееся относительно эфира со скоростью V, скорость света должна быть равна c ± V. Поэтому, если мы вычислим скорость света относительно эфира и относительно движущейся системы отсчета, то мы можем определить скорость системы отсчета относительно эфира или абсолютную скорость относительно абсолютного пространства. На основе этой идеи американский физик Альберт Майкельсон поставил эксперимент (известный как опыт Майкельсона) по обнаружению движения Земли относительно эфира. Однако, несмотря на то что этот эксперимент многократно повторялся с большой точностью, результат был отрицательным. Целью данного опыта было нахождение разности между скоростью света в направлении движения Земли и в направлении перпендикулярном этому движению. Опыт каждый раз неизменно показывал, что скорость света в обоих направлениях одинакова. Это означало, что движение Земли не влияет на скорость света. Из результата опыта Майкельсона вытекает важный вывод – принцип постоянства скорости света. Согласно этому принципу скорость света в вакууме, не зависимо от движения источника или приёмника света, является постоянной. Таким образом, в конце 19 и начале 20 в.в. развитие физики привело и пониманию противоречия и несоответствия между двумя верными в отдельности и доказанными экспериментально принципами – принципа относительности Галилея и принципа постоянства скорости света. Решение этой задачи, предложенные Эйнштейном, является и простым и, в то же время, гениальным, имеющим важное научное значение. Эйнштейн утверждал: принципы, доказанные экспериментально не должны противоречить друг другу. Если все же противоречие обнаружится, то его причину следует искать в тех положениях, на которых основываются эти принципы. Эйнштейн пришел к выводу, что для устранения противоречия следует отказаться от преобразований Галилея и от точки зрения абсолютности пространства и времени. Он также пришел к окончательному мнению о том, что понятие одновременности событий имеет относительный характер. Например, два события, одновременные в одной системе отсчета, не является таковыми в другой системе отсчета и наоборот. Отсюда следует, что понятие времени не является абсолютным и в разных системах отсчета время течет по разному. Анализируя понятие одновременности событий Эйнштейн пришел к выводу, что вместо преобразований Галилея следует использовать так называемые преобразования Лоренца имеющий вид: x x vt 2 1 v ; y y; z z; t c2 t vx / c 2 2 1 v (2) c2 Следует сказать, что преобразования (2) были предложены голландским физиком Х. А. Лоренцом еще в 1896 году, однако он не смог придать им физический смысл. Эйнштейн же смог показать, что именно эти преобразования являются математическими выражениями относительности пространства и времени. В самом деле, из преобразований Лоренца следует два важнейших вывода: а) размер тела в направлении движения сокращается - эффект релятивистского сокращения размера тел в направлении движения; L L0 1 v2 c2 (3) Где L0 и L длина тела в системах отсчета К и К′, соответственно v – скорость системы отсчета К′ относительно К и c ≈ 300000 км/с – скорость света в вакууме. б) течение времени замедляется в движущейся системе отсчета – эффект релятивистского замедления течения времени в движущейся системе отсчета. t t0 v2 1 2 c ( 4) Здесь Δt0 и Δt промежуток времени в системах отсчета К и К′ соответственно. Легко заметить, что для скоростей, много меньших скорости света ( v c) L = L0 и t t0 релятивистские эффекты не наблюдаются и пространство и время практически не зависят друг от друга. Другими словами, при v c из преобразований Лоренца следуют преобразования Галилея. В каждодневных земных условиях мы обычно сталкиваемся со скоростями много меньшими скорости света. Например, наибольшая скорость современных космических кораблей (~15 км/с) в 20 тысяч раз меньше скорости света, поэтому разница между L, L0 и Δt, Δt0 ничтожно мала. В классической механике масса тела считается постоянной. Но, из специальной теории относительности следует, что с увеличением скорости масса тела также увеличивается. Если обозначить массу покоя тела через m0, то масса данного тела, движущееся со скоростью v станет равным m m0 v2 1 2 c (5) Этот эффект для элементарных частниц (электроны и т.д.) давно и многократно экспериментально доказано. Из формул (3), (4) и (5) следует, что если тело движется со скоростью света, то его размер должен стать равным нулю, в движущейся системе отсчета течение времени остановится и масса станет бесконечно большой. Так как с физической точки зрения эти состояния бессмысленны, то следует прийти к выводу, что тело, обладающий массой, не может двигаться со скоростью света. 3. Общая теория относительности Эйнштейна В специальной теории относительности Эйнштейна системы отсчёта считаются инерциальными. Специальная теория относительности устанавливает что, во всех инерциальных системах отсчёта физические процессы происходят одинаковым образом. Возникает вопрос: «можно ли этот принцип применить к неинерциальным системам отчёта? В ближайшем рассмотрении кажется нельзя, ибо в неинерциальных системах отчёта опытным путём легко можно установить неинерциальность этой системы. Например, находясь внутри автомобиля, движущегося прямолинейно и равномерно мы не можем выяснить - что движется, наша машина или столбы и деревья вдоль дороги. Но если водитель нажмёт на педаль тормоза, то мы убедимся, что движемся именно мы. Такая система отчёта, движущееся неравномерно, является неинерциальной. Таким образом, кажется очевидным, что наблюдатель, находясь внутри замкнутой неинерциальной системы, опытным путём может определить движение этой системы. Однако, всегда ли это возможно? Ответ на этот вопрос и составляет сущность общей теории относительности Эйнштейна. Именно при решении этой проблемы проявилось гениальность А. Эйнштейна и его гениальная интуиция! (Здесь уместно заметить, что ещё до Эйнштейна проблема противоречивости принципов относительности Галилея и постоянства скорости света была рассмотрена другими учёными, однако и постановка вопроса общей теории относительности и его решение являются заслугой одного человека – А. Эйнштейна поистине гениального учёного 20 века). Основу общей теории относительности составляют две идеи: а) специальная теория относительности; б) факт равенства инертной массы и тяжёлой (гравитационной) массы тела. Если специальная теория относительности была разработана Эйнштейном в 1905 г, то равенство инертной mu и тяжёлой mт масс было известно ещё со времен Ньютона. Однако классическая физика не смогла объяснить это равенство и физики считали этот факт не фундаментальным законом природы, а только случайным совпадением. Эйнштейн же равенство mu = mт подверг глубокому логическому анализу. Как известно, силу, действующую на свободно падающее тело, можно выразить с помощью двух формул. С одной стороны сила F, действующая на тело, даёт ускорение а, которое определяется вторым законом Ньютона F = mua, где mu – инертная масса тела (т.е. мера инертности тела). С другой стороны силу гравитационного поля, действующая на тело (его вес) можно записать в виде F = mтg, где mт - тяжелая масса тела, где g = 9,81 м/сек2 – ускорение свободного падения. Согласно закону всемирного тяготения g GM R 2 , где G 6,67 *1011 м3 кг * сек 2 - гравитационная постоянная, M = 6 * 1024 кг - масса Земли и R = 6,4 * 106 м – радиус Земли. Для того, чтобы понять сущность общей теории относительности, проведем мысленный эксперимент под названием «лифт Эйнштейна» (рис. 10). В качестве неинерциальной системы отсчета рассмотрим лифт, свободно падающий в поле притяжения Земли. Требуется ответит на этот вопрос: может ли наблюдатель находящийся внутри лифта, определить что система отсчёта совершает свободное падение? Эйнштейн показал, что никакими опытами, проведенными внутри лифта, нельзя отличить следующие две состояния: 1. Лифт совершает свободное падение в гравитационным поле Земли; 2. Лифт покоится, но поле тяготения Земли исчезло. В самом деле, пусть в начале лифт покоится в поле тяготения Земли. Если при этом на весы повесить гирю в 1 кг, то стрелка весов будет показывать число 1. Если теперь обрубить трос, то лифт будет свободно падать, т.е. будет совершать ускоренное Рис.10. Лифт Эйнштейна а) в случае покоя; б) в случае свободного падения. движение. Внутри лифта это явление проявляется как исчезновение силы притяжения Земли, т.к. стрелка весов будет показывать число 0. Человек находящийся внутри лифта не может понять что произошло - исчезло поле притяжении Земли или лифт совершает свободное падение. Несколько изменим эксперимент: предположим, что каким – то образом исключили действие поля тяготения Земли на лифт (на самом деле это принципиально невозможно) тогда лифт покоится и стрелка весов с килограммовой гирей будет показывать число 0. Если теперь тянуть лифт вверх с ускорением g, то стрелка весов будет показывать число 1, и наблюдатель опять не может сказать что происходит: 1. Возникла сила тяготения, но лифт покоится, или 2. Поля тяготения по прежнему отсутствует, но лифт ускоренно движется вверх. Анализируя эти мысленные эксперименты А. Эйнштейн предложил так называемый принцип эквивалентности. Согласно этому принципу, с точки зрения физики, поле тяготения (Земли) и поле, возникающее в результате ускоренного движения, не отличимы. Этот принцип устанавливает, что факт равенства mu = mt является не случайным явлением, а фундаментальным законом природы. Более того, из этого принципа следует, что законы природы во всех системах отсчета (и инерциальных и неинерциальных) имеет одинаковый вид (принцип ковариантности). Из общей теории относительности вытекает важный с экспериментальной точки зрения, вывод: в поле тяготения луч света должен искривляться. Этот вывод имеет огромное значение для проверки и обоснования данной теории, так как его можно наблюдать экспериментально. В самом деле, в 1919 г. при явлении полного затмения Солнца было обнаружено эффект искривления луча света, идущего из других звезд (рис. 11). Рис. 11. Гравитационное влияние Солнца траекторию света а) искривление траектории света, падающего со звезды S за счет гравитационного влияния солнца, точка S′ - кажущееся положение звезды. б) во время солнечного затмения мы увидим истинное положение звезды. Искривления луча света говорит о том, что скорость света в поле тяготения не является постоянной и меняется в зависимости от напряженности поля от точки к точке. Из этого результата некоторые учёные пришли к выводу, что якобы общая теория относительности подвергает сомнению специальную теорию относительности, т.к. важным принципом последней являются постоянство скорости света. Автор этих двух теорий А. Эйнштейн считает такие утверждения безосновательными. На самом деле, говорит он, из сравнения этих двух теорий можно лишь заключить, что специальная теория относительности имеет свою область применимости: она достоверна и применима до тех пор, пока можно пренебречь действием полей тяготения. 4. Общенаучные выводы из теории относительности Эйнштейна Теория относительности Эйнштейна была первой физической теорией, которая перевернула точку зрения учёных о пространстве, времени, движении. Если в классической механике считалось, что пространство и время не зависят друг от друга и не зависят от движения материальных тел, т.е. эти понятия считались абсолютными, то с появлением специальной теории относительности была окончательно установлена: 1) Всякие движения тел можно рассматривать лишь относительно других тел, принимаемые как системы отсчета; 2) Пространство и время глубоко взаимосвязаны друг с другом и только совместно могут определять состояние движущихся тел. Именно поэтому в теории относительности вводят четырехмерную систему координат, в которой четвертой координатой является время; 3) Специальная теория относительности показала, что в инерциальных системах отсчета принцип относительности имеет место и для законов электродинамики. Только в этом случае вместо преобразований Галилея следует использовать преобразования Лоренца; 4) На основе применения принципа относительности в электромагнитных процессах, постоянство скорости света принимается как постулат; 5) Общая теория относительности отказывается от таких ограничений как преимущество инерциальных систем отсчета, принцип постоянства скорости света и приходит к заключению, что все системы отсчета равноправны. С общенаучной точки зрения для описания законов природы важнейшим выводом общей теории относительности заключается в том, что она установила взаимосвязь пространственно-временных свойств Мира от положения и движения тяготеющих масс. Пространство и время не имеет смысла вне материи. Пространство и время являются формой существования материи и, как выразитель всеобщих отношений материальных объектов, вне материи теряют всякий смысл. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа. 1. Разъясните смысл понятий пространство и времени в классической механике. 2. Что такое «система отсчета» и какие из них называются инерциальными? 3. Важнейшие выводы специальной теории относительности. 4. Общая теория относительности и её выводы. 5. К каким общенаучным выводам можно прийти из теории относительности Эйнштейна? В) Тестовые вопросы 1. Из какой теории следует абсолютность понятий пространства и времени? А) Квантовая механика Б) Классическая механика В) Специальная теория относительности Г) Общая теория относительности 2. К какому выводу приводить специальная теория относительности Эйнштейна? А) принципу относительности Галилея Б) принципу равенства инертной и тяжелой масс В) принципу постоянства скорости света Г) принципу дополнительности Бора 3. К какому выводу приводить общая теория относительности Эйнштейна? А) принципу относительности Галилея Б) принципу равенства инертной и тяжелой масс В) принципу постоянства скорости света Г) принципу дополнительности Бора 4. Какой из этих ответов следует из закона всемирного тяготения Ньютона? А) тела обладающие массой притягивают друг друга Б) тела обладающие массой отталкивают друг друга В) тела обладающие зарядом притягивают друг друга Г) тела обладающие зарядом отталкивают друг друга 5. Из какой теории следует факт равенства инертной и тяжелой масс? А) Классическая теория тяготения Ньютона Б) Квантовая теория тяготения В) Специальная теория относительности Г) Общая теория относительности Тема 3. Современная физическая картина Мира. Создание квантовой механики и новая концепция атомизма. План занятия: 5. Основные понятия и принципы квантовой физики. Гипотезы Планка и де - Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга. 6. Открытие электрона и новая концепция атомизма 7. Строение атома. Мир элементарных частиц. Кварковая модель элементарных частиц. 8. Методологические установки современной физики. 1. Основные понятия и принципы квантовой физики. Гипотезы Планка и де - Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга. В начале 20 в. в результате новых открытий стало ясно, что понятия и принципы классической физики не применимы не только для изучения свойств пространства и времени, но и для исследования свойств микрообъектов (электронов, протонов, нейтронов, атомов, молекул и т. д). Более того, для познания особенностей и закономерностей объектов микромира следует отказаться от прежних представлений о мире макроскопических объектов. Это, конечно, не совсем просто, так как представления классической физики соответствуют нашим ежедневным наблюдениям и опытам (явления, которые видим своими глазами и величины, которые измеряем собственными руками) и, как говорят, соответствуют здравому смыслу. Однако, когда физики вплотную занялись изучением явлений микромира, они были удивлены столь необычайными свойствами мельчайших частиц материи. Как известно, согласно представлениям классической физики, величины характеризующие частицу являются ее масса и размер, а для волн такими величинами являются длина волны и частота, т.е. частицы и волны являются совершенно разнородными объектами. Из истории изучения оптических явлений известно, что Ньютон считал пучок света потоком мельчайших частиц корпускул и, на этой основе, установил законы отражения и преломления света. Но, после открытия явлений интерференции и дифракции света была признана его волновая природа. В 60-70-х годах 19 в., после создания теории электромагнетизма, было установлено, что свет является электромагнитной волной и распространяется в вакууме с очень большой, но конечной скоростью с = 300000 км/сек. Таким образом, окончательно было установлено, что свет имеет волновую природу, и такое представление было общепринятым вплоть до конца 19 в. Необычайные особенности и свойства микрообъектов упомянутые ранее, в самом деле, являются удивительными с точки зрения классической физики. Открытия конца 19 и начала 20 в. в. показали, что один и тот же объект в одних опытах проявляет частичные свойства, а в других – волновые. Попытки описания и тем более объяснения этих необычайных свойств микромира в рамках понятий и принципов классической физики не увенчались успехом. Поиск новых понятий, представлений и принципов для объяснения свойств микромира привел к появлению новой теории – квантовой механики. В создании и обосновании нового метода исследования огромный вклад внесли ряд великих ученых, в том числе Макс Планк, Луи де - Бройл, Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Нильс Бор и другие. Следует заметить, что основоположник теории относительности Альберт Эйнштейн поначалу к квантовым представлениям отнесся с подозрением, но позже принял их и вошел в ряды основоположников этой теории. Первый шаг в создание квантовой механики был сделан немецким физиком М. Планком. В 1990 г. для объяснения закона излучения абсолютно черного тела (гипотетического тела, полностью поглощающего падающего на него излучения) Планк предложил идею, названную гипотезой Планка. Согласно этой идеи, энергия электромагнитных волн испускается и поглощается только дискретными порциями (квантами); каждый квант электромагнитной волны обладает энергией, величина которой прямо пропорционально частоте этой волны, т.е. Здесь Е - энергия кванта, - частота волны и h = 6,6*10-34 Дж*сек коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Планка. Квантовое представление было настолько необычным, что сам Планк некоторое время считал свою гипотезу не более чем вспомогательным математическим приёмом. Но, некоторое время спустя (в 1905 г.), А. Эйнштейн показал, что в гипотезе Планка заложена совершенно новая физика. Более того, с помощью формулы Планка Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, закономерности которого были установлены русским физиком А. Г. Столетовым ещё в 50-х годах 19 в. Фотоэффектом называется явление выбивания свободных электронов из металла под действием падающего на его поверхность света. Этот эффект сам по себе не является необычным, однако законы, которым подчиняется это явление, необъяснимы в рамках классических представлений. Другими словами, считая света непрерывной волной невозможно объяснить закономерности фотоэффекта. Теперь вспомним, что согласно гипотезе Планка свет рассматривается как поток квантов излучения (корпускул). А. Эйнштейн, всесторонне изучая явление фотоэффекта, пришел к важному выводу о том, что гипотеза Планка имеет научную основу и, на самом деле, в ряде явлений (при фотоэффекте, в том числе) свет проявляет частичные свойства. На этой основе Эйнштейн назвал кванты света особыми корпускулами – фотонами. Таким образом, впервые в физике была введена «дикая» (с точки зрения классической механики) идея внутренной взаимосвязи частицы и волны, получившая название «дуализма волны и частицы». Теория фотонов Эйнштейна внесла в самую основу непрерывности – волновое свойство электромагнитного поля - совершенно несовместимый с ней признак прерывности. Тем самим двоякая частично - волновая природа света, стала общепризнанной. Следующий решительный шаг в становлении квантовой механики сделал французский физик Луи де - Бройл. Как известно, в физике любое вещество всегда рассматривали как объект, состоящий из частиц (атомов, молекул) и потому волновые свойства для веществ считались чужеродными. В 1924 г. де - Бройл предложил идею, согласно которой электрон является не частицей, а волной, или точнее, и частицей и волной одновременно. Через некоторое время (в 1927 г.) американские физики К.Дэвиссон и Л. Джермер открыли явление дифракции электронов и, тем самим, экспериментально доказали идею де- Бройля. Таким образом, так же как Эйнштейн стал рассматривать непрерывные волны как совокупность дискретных фотонов, деБройл дискретным частицам присвоил волновые свойства, т.е., согласно этой гипотезе, для частиц также имеет место дуализм волны и частицы. Гипотеза де – Бройля гласить: каждой материальной частице не зависимо от ее природы можно сопоставить волну, длина волны которой обратно пропорционально импульсу этой частицы Здесь де - Бройля, h - постоянная Планка, p = mv - является импульсом частицы и равняется произведению массы частицы на ее скорость. Гипотезы Планка и де - Бройля и их экспериментальное доказательство (явления фотоэффекта и дифракции электронов, соответственно) свидетельствует о том, что все микрообъекты (фотоны, электроны и т.д.) обладают как частичными (наличие у них энергии и импульса) так и волновыми свойствами (длина волны и частота). Такая ситуация выходит за рамки классической физики и с её точки зрения, принципов и понятий кажется необычайной и не соответствующей «здоровому смыслу». Объекты, которые изучает классическая физика имеют либо только частичные, либо только волновые свойства. Но из рассмотренных гипотез и экспериментов следует, что микрообъекты одновременно обладают и волновыми и частичными свойствами. Вернее, микрообъекты в некоторых явлениях проявляют волновые, а в других, частичные свойства. До конца 1924 г. дуализм волны и частицы был признан как подтвержденная точка зрения и перед учеными встала задача создания его теоретической основы. В 1925 г. немецкий физик В. Гейзенберг, создал теорию матричной механики, а в 1926 г., австрийский физик Э. Шредингер предложил теорию, названную им волновой механикой. Вскоре стало ясно, что и матричная и волновая механика являются одной и той же теорией, но с разным математическим аппаратом. В последующем эта теория стала называться квантовой механикой. Ранее упомянутый В. Гейзенберг анализируя закономерности измерения величин в квантовой механике пришел к важному выводу о принципиальной невозможности одновременного измерения двух, сопряженных друг другу, величин. Этот результат получил название принципа неопределенности Гейзенберга, который гласит: координату и импульс микрочастиц невозможно измерить одновременно с одной и той же точностью и произведение их неточностей не может быть меньше постоянной Планка: Здесь и - неточности измерения координаты и импульса частицы соответственно, h - постоянная Планка и – знак приращения величины. Э. Шредингер в своей волновой механике, для характеристики произвольного состояния системы, вводит понятие «волновой функции», которая в противоположность величинам классической механики определяет параметры последующих состояний системы не достоверно, а с той или иной степенью вероятности. Это следует понимать так, что для тех или иных параметров системы волновая функция может дать лишь вероятностные предсказания. Например, будущее состояние исследуемой частицы определяется не достоверно, а только в некотором конечном интервале значений параметров. Таким образом, квантовая механика отличается от классической тем, что предсказания носят вероятностный характер, что обусловлено принципом неопределенности Гейзенберга. Важнейшим выводом квантовой механики состоит в том, что в микромире результаты измерений являются принципиально неопределенными и, как следствие, точное и достоверное предсказание будущего состояния объекта не возможно. Предсказания возможны, но они носят исключительно вероятностный характер. До 30-ых годов 20 века (т.е. за относительно короткий срок) квантовая механика была успешно применена для решения ряда теоретических и практических задач физики и не только физики. Принципы квантовой механики позволили объяснить в том числе строение атомов и молекул, сущность периодической системы Менделеева, природу химических связей, термоэлектрические и ферромагнитные явления. Эти принципы также составили основу современной теории твердых тел, теорию явления радиоактивности, физики ядра и ядерной энергетики. Применение принципов двух новых теорий – теории относительности и квантовой механики к другим разделам физики привело к появлению новых научных направлений и новых открытий. В результате применения теории относительности к квантовым объектам появились релятивистская квантовая механика и квантовая теория поля. На основе квантовой механики и статистической физики была создана новая теория твердых тел и на основе этой теории были созданы, например, транзисторы и другие полупроводниковые приборы для радиотехники. В дальнейшем были созданы быстро развивающиеся направления квантовой электродинамики, физики элементарных частиц, астрофизики и т.д. 2. Открытие электрона и новая концепция атомизма Концепция атомизма, т.е. идея о том, что все вещества природы состоять из мельчайших, не видимых глазу и далее неделимых частиц – атомов была высказана греческим философом Левкиппом и его учеником Демокритом. С греческого слово атом буквально означает неделимый. Они предполагали, что разные вещества состоять из атомов, имеющих разные формы и размеры. Однако, до Левкиппа и Демокрита и после них в течение многих столетий господствовала мысль о том, что все вещества состоять из четырех первоматерий (четырех стихий природы) – воды, огня, земли и воздуха и каждое вещество получается соединением этих стихий природы в разных пропорциях. Таким образом, атомистическая идея была предана забвению более двух тысячелетий. Только в начале 19 века для объяснения явления броуновского движения (беспорядочного движения мелких частиц в жидкости или газе, наблюдаемые через микроскоп), было доказано, что атомы, как составные элементы веществ, действительно существуют, однако, до конца 19 века атом продолжали считать неделимой частицей. В 1895 году английский физик Джозеф Томсон при исследовании так называемых катодных лучей открыл частицу, многократно меньшую и по размерам и по массе атома водорода. Более того, вновь открытая частица обладала отрицательным электрическим зарядом. Частицу назвали электроном. Открытие электрона привело к появлению двух новых направлений исследования. Физики пришли к выводу, что если в природе существует частица меньшая чем атом, то: а) атом не является неделимой и, возможно, имеет сложное строение; б) в природе возможно существование других, подобных электрону, частиц. Вскоре обе догадки подтвердились. В результате возникли теория строения атома и теория элементарных частиц, которые в дальнейшем привели к созданию новых разделов физики – атомной физики, ядерной физики и физики элементарных частиц. Новая концепция атомизма, созданная на основе этих открытий, утверждает, что атомы являются одними из мельчайших элементов веществ, однако они являются не неделимыми, а имеют сложное строение, состоять из более мелких объектов, называемых элементарными частицами. 3. Строение атома. Мир элементарных частиц. Кварковая модель элементарных частиц. Одной из важнейших проблем, возникших после открытия электрона, была проблема строения атома. Дж. Томсон – учёный, открывший электрон, предложил первую модель строения атома. Согласно Томсону атом представлял собой положительно заряженную сферу, внутри которой движутся отрицательные электроны, причем заряд сферы и электронов численно равны и, поэтому, атом электрически нейтрален (Рис. 12). + + + + + + + + ---- + -- -+ + + + ------ Рис. 12. Модель атома Томсона В 1909 - 1910 г.г. английский физик Эрнест Резерфорд исследуя явление прохождения α – частиц от тонкой золотой фольги пришел к выводу, что модель атома Томсона не объясняет это явление. В опыте Резерфорда большая часть α – частиц прямо проходят фольгу как будто нет этой преграды. Другая часть проходят через фольгу, но отклоняются на разные углы. И наконец, оставшаяся часть не проходят через фольгу и отражаются назад (рис. 13). Рис. 13. Опыт Резерфорда а) схема установки; б) рассеяние α – частиц По модели Томсона или все α – частицы должны были пройти через фольгу, или все частицы должны были отражаться назад. Э. Резерфорд, на основе своего эксперимента, предложил, что основная масса атома расположена в его центре (ядро атома), ядро атома имеет положительный заряд и отрицательные электроны вращаются вокруг ядра по своим орбитам. Заряд ядра атома равен заряду электронов и потому атом не обладает электрическим зарядом. Эта модель, которая объяснила результаты опыта Резерфорда получила название планетарной модели строения атома, т.к. она похожа на Солнечную систему (Рис. 14). - + Рис. 14. Планетарная модель атома Позднее модель Резерфорда была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором. Бор предложил, что электроны вокруг ядра должны вращаться не по произвольным, а по стационарным орбитам, ибо, в противном случае, электроны непрерывно излучая свою энергию должны упасть на ядро. На самом деле, атомы являются устойчивыми образованиями и электроны атома испускают или поглощают излучение только при переходе из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние. Эти дополнительные принципы получили название постулатов Бора. Поэтому данный модель атома называют моделью атома Бора –Резерфорда (или даже просто моделью Бора). Как было отмечено, исторически электрон является первой открытой элементарной частицей. В 1919 году Э.Резерфорд, бомбардируя атомы никеля α – частицами, открыл вторую элементарную частицу – протон. Оказалось, что протон имеет положительный электрический заряд, равный по величине заряду электрона, а его масса почти в 2000 раз больше массы электрона. В 1932 году был открыт нейтрон, похожий на протон, но не имеющий электрический заряд. В 1928 году английский физик Поль Дирак, разрабатывая релятивистскую теорию электронов, пришёл к выводу, что в природе должны существовать частицы, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Дирак эту частицу условно назвал антиэлектроном. Эта удивительная частица, предсказанная теоретически, была экспериментально обнаружена в 1932 году, и названа позитроном. Стало известно, что все элементарные частицы имеют своих античастиц. Кроме того, из теории Дирака следовало, что если электрон сталкивается с позитроном, то они как бы исчезают, точнее превращаются в пару γ - квантов (фотонов). Этот процесс был назван аннигиляцией (буквально, исчезновение, гибель). В 1933 году, процесс аннигиляции электронпозитронной пары было экспериментально обнаружено. Точно такие же процессы происходят и с другими парами частиц и античастиц (рис. 15). + - Рис. 15. Аннигиляция электрон – позитронной пары Если бы процесс аннигиляции был односторонним, то вскоре все микрочастицы превратились бы в γ - кванты и вся Вселенная была бы заполнена только фотонами и нейтральными частицами. Но природа предусмотрительна и в ней происходят также обратные процессы. Так, пара фотонов сталкиваясь друг с другом рождают электрон – позитронную или другую пару частиц и античастиц. Этот процесс получил название рождения пар частиц и античастиц (рис. 16). В результате, в среднем, количественное соотношение между частицами и γ - квантами остается постоянным. - + Рис. 16. Рождение электрон – позитронных пар. Реальное существование процессов аннигиляции и рождения пар частиц и античастиц является важнейшей особенностью микромира и показывает отличие новой концепции атомизма от старой классической концепции. Процесс открытия новых элементарных частиц получило дальнейшее развитие после создания ускорителей частиц и к 50-ым годам 20 века число открытых частиц дошло до 400. Открытие все новых и новых элементарных частиц с разными свойствами поставило перед учёными задачу присвоения им соответствующих названий и разделения их по группам. К известным нам электронам, протонам, нейтронам и фотонам добавились новые названия, в том числе мезоны, мюоны, гипероны, барионы и т.д. В свою очередь, частицы, в соответствии с своими массой, электрическим зарядом и квантовым свойством были разделены на семейства. Кроме фотона, масса которого равна нулю, остальные элементарные частицы были разделены на два семейства: семейство легких частиц – лептоны (электрон, мюон, нейтрино) и семейство тяжелых частиц – адроны (протон, нейтрон и т.д.). Возникает естественные вопрос: можно ли считать частицы, число которых доходит до 400 и, более того, отличаются друг от друга массой, зарядом и другими свойствами, элементарными, т.е. простыми частицами? Логически совершенно простые объекты не должны качественно отличаться друг от друга. В противном случае возникает естественный и знакомый нам с детства вопрос «почему?». То есть, если даже имеется всего две элементарные частицы, то уже появляется вопрос: чем они отличаются друг от друга, и если это отличие имеет место, то в чем причина этого отличия? И так далее. Чтобы как-то ответить на этот вопрос американский физик Мари Гелл-Ман в 40-ых годах 20 века предложил, что все адроны состоять из ещё более мелких и на самом деле простых частиц – кварков. Согласно этой модели мезоны состоять из одного кварка и одного антикварка, барионы – из трех кварков и.т.д. Таким образом, согласно кварковой модели элементарные частицы образуют семейство лептонов и адронов, а адроны в свою очередь, состоять из последних кирпичиков мироздания - кварков (Рис. 17). Рис. 17. Структура атома: протон и нейтрон - частицы, которые состоять из трех кварков На сегодняшний день число лептонов и кварков из которых состоят адроны равно 48. Это число не маленькое и физики подумывают о том, что и лептоны и кварки, в свою очередь, состоят из ещё более мелких частиц… Непроизвольно вспоминаются слова русского философа – марксиста В.И. Ленина, который говорил, что «электрон как и атом безграничен, материя и глубь и вширь не имеет конца». 4. Методологические установки современной физики Как было отмечено, методологические проблемы современного естествознания включают задачи, которые объединяют все области науки, связанные с исследованием природы. Объективное решение этих задач предполагает разработку систем методологических установок, которые являются важнейшей структурной частью и общим методологическим принципом каждой области науки. Эти установки, играя координирующую роль научной деятельности, способствуют получению действительных и достоверных теоретических и экспериментальных научных результатов. Становление системы методологических установок классической физики, связанное с созданием классической механики (17 век), завершилось в середине 19 века обоснованием принципов и понятый классической теоретической физики и включает следующие основные положения: 1. Объективный физический мир существует не зависимо от человека и его сознания; 2. Материальный мир познаваем; 3. Основой физических знаний и критерием их истинности является эксперимент; 4. Получение абсолютно достоверных знаний в принципе возможно; 5. Мир физических элементов является качественно однородным объектом; 6. Все элементы физического мира взаимосвязаны между собой причинно – следственными связами (детерминизм Лапласа); 7. Все свойства исследуемого объекта можно одновременно определить экспериментально и с помощью одной установки; 8. В процессе исследований физический объект остается неизменным и не зависит от условия познания; 9. Структура познания в области физики, также как и структура мира физических объектов вечна и неизмененна. Если обратить внимание на содержание приведенных методологических установок можно заключить, что к концу 19 века все свойства и особенности физики объективного мира уже были полностью рассмотрены и изучены. Однако, в начале 20 века, в связи с созданием теории относительности Эйнштейна, квантовой механики и открытием элементарных частиц, возникла необходимость пересмотра методологических установок классической физики. При этом первые четыре методологических установок классической физики практически остаются неизменными. Но, в отличие от классической физики, где мир физических элементов считается качественно однородным объектом (смотри пункт 5) в новой физике утверждается наличие трех качественно различных структурных уровней – микромира, макромира и мегамира. Согласно принципам современной физики причинность признается как один из элементов взаимосвязи и взаимодействия между объектами и явлениями микромира, однако природа этих связей и действий существенно отличается от классического детерминизма (пункт 6): явления микромира носят случайный характер и подчиняются статистическим законам (вероятностный детерминизм). Если в классической физике свойства объектов экспериментально можно определить одновременно (пункт 7), то для квантовых объектов такая возможность не всегда существует (принцип неопределенности Гейзенберга). Другое существенное отличие в методологии современной физики от классической считается зависимость свойств объектов от способов и условий исследования (пункт 8). Например, в релятивистской физике описание исследуемого объекта в разных системах отсчета отличается друг от друга. В квантовой механике при этом требуется учесть роль взаимодействия между микроскопическим объектом и (макроскопическим) измерительным прибором (принцип дополнительности Бора). Структура познавательной деятельности в современной физике в отличие от классической (пункт 9) не является вечным и неизменным. Открытие квантовых объектов и релятивистских явлений обусловили появление новых способов и методов исследования в рамках квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Как видно, система методологических установок современной физики, наряду с некоторыми совпадениями, принципиально отличается совершенно новыми понятиями, принципами и категориями от методологических установок классической физики. Следовательно, при теоретическом и практическом изучении и исследовании физических явлений необходимо иметь в виду новые методологические установки современной физики. Задания для самостоятельных работ А. Вопросы для письменного ответа 1. Объясните физический смысл гипотезы Планка и де-Бройля. 2. Как Резерфорд пришел к планетарной модели строения атома? 3. Что вы можете рассказать о предсказаниях П. Дирака? 4. Почему открытие электрона привело к научной революции в физике? 5. Что вы можете сказать о новой концепции атомизма? 6. Для чего нужны методологические установки науки, в том числе современной физики? Б. Тестовые вопросы. 1. Какие теории составляют научную основу современной естественно – научной картины мира? А) классическая механика Ньютона, квантовая механика, теория Эйнштейна Б) квантовая механика, теория электромагнетизма, классическая механика В) теория электромагнетизма, квантовая механика, теория Эйнштейна Г) теория Эйнштейна, классическая механика, теория электромагнетизма 2. Это микрочастица не имеет электрический заряд: А) электрон Б) протон В) нейтрон Г) β – частица 3. Это частица имеет отрицательный электрический заряд: А) электрон Б) протон В) нейтрон Г) фотон 4. Это частица имеет положительный электрический заряд: А) электрон Б) протон В) нейтрон Г) β – частица 5) Это частица не имеет нулевую массу: А) электрон Б) протон В) нейтрон Г) фотон Тема 4. Современная химическая картина Мира План темы: 1. Основные периоды развития и становления современной химии 2. Квантовая механика – теоретическая основа химии 20 века 3. Строение молекул, химические связи и их виды 4. Роль и место химии в человеческом обществе 1. Основные периоды развития и становления современной химии Химия является одним из разделов наук о природе и предметом её изучения являются химические элементы (атомы), простые и сложные вещества, состоящие из атомов (молекул), качественного превращения веществ и закономерности этих превращений. Химия имеет глубокие исторические корни, человек ещё в 4 – 3 тысячелетиях до новой эры уже был знаком с химическими превращениями веществ и использовал их для своих нужд. Одним из древнейших областей химической науки является плавка металлов – металлургия. Наши далекие предки были знакомы с выплавкой меди и умели получать сплав меди и олова – бронзу. Позднее, во 2 тысячелетии до новой эры люди научились добивать железную руду и получать железо. В результате каменные и деревянные орудия труда были заменены железными, что способствовало облегчению физического труда. Здесь уместно заметить, что с 6 – 5 в.в. до нашей эры, до эпохи возрождения (15 – 16 в.в.) химия развивалась на основе 2-х учений – натурфилософского атомизма и учения о 4-х стихий природы (воды, огня, земли и воздуха). В 3 – 4 в.в. нашей эры на основе практической химии Египта и натурфилософии древней Греции возникла так называемая алхимия, основной задачей которой являлась получение благородных металлов, в первую очередь серебра и золота. Алхимики были уверены, что при соединении ртути и серы в определенных пропорциях можно получить разные металлы, в том числе благородные. Арабские алхимики полагали, что в природе должно существовать особое вещество – эликсир, с помощью которого из любого металла можно получить серебро и золото. В течении более тысячи лет алхимики занимались этим «ремеслом» и, хотя они не добились своего (т.к. идея была ненаучной, ошибочной), однако в ходе своих исканий добились открытий, которые способствовали развитию химии как науки. В средние века, особенно в 13 – 15 в.в., химия и алхимия были настолько переплетены, что отличить их друг от друга не представлялось возможным. Среди алхимиков наряду с псевдоучёными и мошенниками от науки были и такие, которые глубоко верили этой идее и внесли достойный вклад в развитие химии. Однако, начиная со второй половины 17 века, алхимия начинает постепенно терять своё былое преимущество и среди учёных устанавливается представление, согласно которому превращение веществ имеет свою определенную границу и этот предел зависит от строения и структуры химических веществ. Таким образом, в 17 – 18 в.в. химия постепенно становится учением о качественном превращении веществ, и эти превращения являются результатом изменения строения этих веществ. Последующему развитию химии, прежде всего, способствовало возрождение античной концепции атомизма. Английский физик и химик Роберт Бойль одним из первых развил идею атомизма, применил эту идею в химии и говорил, что «химия является самостоятельной наукой, а не помощницей ремесленничества и медицины». Он глубоко верил, что качественные свойства и превращение веществ можно объяснить только с точки зрения атомизма, с учётом формы, размера, движения и расположения атомов. Бойль считал, что разнообразные вещества природы можно разделить на простые (элементы), сложные и их смеси. Следующий решительный шаг в становлении химии сделал французский химик Антуан Лавуазье. Он создал кислородную теорию горения и показал, что и в живых организмах происходит процесс горения (усвоения пищи), в результате которого выделяется нужная организму энергия. Можно сказать, что Лавуазье произвел в химии научную революцию. Он превратил химию из совокупности не связанных друг с другом идей и положений в общую теорию, на основе которой стало возможным объяснение не только известных явлений и процессов, но и предсказание новых. В становлении и развитии химии также большую роль сыграл великий русский учёный М.В. Ломоносов. Именно его старанием и упорством в середине 18 века в России была создана первая химическая лаборатория, где учёный самостоятельно занимался решением ряда теоретических и практических задач. В частности, Ломоносов, повторяя экспериментальные исследования Р. Бойля в своей лаборатории, открыл важнейший закон природы – закон сохранения вещества (массы). Развитие атомно-молекулярного учения уже к началу 19 века привело к идее о сложной структуре не только молекул, но и атомов. Однако, только во второй половине 19 века (1869 г.), благодаря великому открытию Д. И. Менделеева о периодической системе химических элементов, положение о сложной структуре атомов получило научное подтверждение. Несмотря на все эти новые открытия и новые взгляды до начало 20 века химия осталась прикладной наукой. Только после создания квантовой механики (см. тему 3) и появления на её основе квантовой химии система химических знаний получила теоретическую основу. Обычно когда человек (студент в том числе) знакомиться с содержанием физики и химии, между ними он не видит существенных отличий, так как и физика и химия изучает неживую природу. Здесь трудность (или сложность) заключается в том, что объектом изучения химии является уровень организации материи, лежащий между двумя уровнями, связанными с физикой, а, именно, между макроскопическими телами и атомами. Когда в 17 веке родилась научная химия, учёные предполагали, что областью её исследования будет микромир. Однако с возникновением атомной и ядерной физики исследование микромира перешло к физике. Областью исследования химии стали процессы превращения веществ и влияния внешних факторов (тепла, света, физических полей и т.д.) на эти процессы. Кроме того, химия также изучает межатомные связи в молекулах, где главную роль играют электроны (химические связи). Создание квантовой механики привело к рождению новой ветви химии – квантовой химии, которая считается теоретической основой современной химии. Одним из важнейших достижений химии является то, что она выявила зависимость свойства вещества от их структуры. Например, алмаз и графит имеют одинаковый состав (и то и другое состоять из углерода), однако из-за разной структуры (кристаллическая в алмазе и слоистая в графите) имеют совершенно разные свойства: алмаз является одним из самых твердых веществ, тогда как графит очень мягкое вещество. Другим достижением химии 20 века является изучение и применение катализаторов. Катализаторами в химии называют вещества, которые изменяют скорость химических реакций, но сами в состав полученных соединений не входят. Катализаторы играют чрезвычайно важную роль в процессах, протекающих в живых организмах. Например, процесс фотосинтеза растений происходит только с участием специального катализатора – хлорофилла. Химия имеет также большое практическое значение, так как жизнь современного человека трудно представить без использования продукций химического производства. 2. Квантовая механика – теоретическая основа химии 20 века Как было отмечено, только после появления квантовой механики и создания на этой основе квантовой химии, химическая наука получила теоретическое обоснование и система химических знаний поднялась от прикладного уровня на теоретический уровень. Основными понятиями и объектами химии являются атомы и молекулы. Атом является мельчайшей частицей химического элемента, носящая свойства этого элемента. Атомы, соединяясь с помощью химических связей, образуют молекулы. Молекула – мельчайшая частица вещества, которая обладает свойствами этого вещества. В настоящее время число известных атомов, или химических элементов более 100 (~110). В то же время число известных естественных и исскуственных молекул очень велико и более 18 млн. Такое большое количество связано с тем, что большинство атомов (кроме атомов инертных газов) взаимодействуя друг с другом образуют молекулы. Кроме того, число атомов в молекулах не одинаково. Например, молекулы инертных газов являются одноатомными, водорода и азота – двухатомные, воды – трехатомные и т.д. Молекулы сложных веществ (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.), так называемые макромолекулы содержат десятки и сотни тысяч атомов. Атомы в молекулах связаны между собой определенной последовательностью и пространственным расположением. Поэтому, хотя количество химических элементов относительно мало (~110), число же молекул достаточно много ( ~ 18 млн.). Квантовая химия, созданная на основе квантовой механики и статистической физики, является учением о свойствах атомов, молекул и химических веществ. Одним из достижений квантовой химии является создание квантовой теории строения атома. Точнейшие и многократно повторенные экспериментальные исследования показали, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательные электроны. Известно, что размер атома порядка 10-10 м, а размер его ядра -10-15 м. Из ядерной физики известно, что ядра атомов состоят из электрически положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Протоны и нейтроны, образующие ядро имеют общее название – нуклоны. Важной характеристикой атома является заряд его ядра. В свою очередь заряд ядра зависит от числа протонов в нем и показывает, какому атому принадлежит это ядро. Таким образом, ядро атома с порядковым номером N и массовым числом М состоит из N протонов и (M - N) нейтронов. Вокруг этого ядра вращаются электроны, число которых равно числу протонов ядра (N). Так как заряд протонов численно равно заряду электрона, то общий заряд ядра данного атома равно (+eN) , а общий заряд электронов равно (-eN). Поэтому в нормальном состоянии атом является электрически нейтральным. Если нейтральный атом теряет один и более своих электронов, то превращается в положительный ион (катион). Если же атом приобретает дополнительные электроны, то он становится отрицательным ионом (анион). Массу атома, в основном, составляет масса его ядра, т.к. электроны имеют почти в 2000 раз меньшую массу. В то же время ядро одного и того же элемента может иметь разное число нейтронов. В результате эти ядра будут иметь одинаковый электрический заряд, но разные массовые числа. Атомы, ядра которых отличаются только числом нейтронов называются изотопами. Например, химический элемент водород, ядро которого имеет только один протон, имеет три изотопа (см. рис. 18) - протий (ядро не имеет нейтрона), дейтерий (один нейтрон в ядре) и тритий (два нейтрона в ядре). Электроны вокруг ядра атома расположены по слоям. Распределение электронов по слоям подчиняется закону, называемый принципом Паули. Согласно этому принципу в каждом квантовом энергетическом состоянии вокруг ядра может находиться не более одного электрона. Квантовое состояние этих электронов определяется четырьмя так называемыми квантовыми числами – главное квантовое число (n), орбитальное квантовое число (l), магнитное орбитальное квантовое число (m) и собственное квантовое число (спин, s). Тогда, согласно принципу Паули, каждый электрон из окружения ядра отличается от другого хотя бы одним квантовым числом. Поэтому этот принцип часто называют принципом запрета Паули. Дейтерий Протий Тритий Рис. 18. Изотопы водорода Согласно принципу Паули электронные слои заполняются только определенным образом. Так, в первом слое от ядра могут находится только до 2- х электронов, во втором и третьем слоях – до 8 – и электронов, в четвертом и пятом – до 18 – ти электронов и, наконец, в шестом и седьмом слоях – до 32 – х электронов. В образовании химических связей участвуют только электроны внешней оболочки. Поэтому число электронов внешнего слоя определяет степень активности химических элементов и их валентность. Порядок заполнения электронных слоёв устанавливает распределение элементов в периодической системе Менделеева. Согласно этому порядку число химических элементов в каждом периоде определяется числом электронов внешнего слоя. Создание квантовой теории атомов имело не только фундаментальное теоретическое, но и чисто практическое значение. Прежде всего, оно способствовало становлению и развитию атомной энергетики. Кроме того, квантовая теория дала сильный толчок расширению границы мира атомов. Как известно, при Менделееве было известно чуть более 60 ( ~ 63) химических элементов. К 30 – им годам 20 века завершается период открытия естественных химических элементов и периодическая система заканчивается элементом уран (порядковый номер 92). В период с 1940 по 1955 г.г. методом синтеза ядра атомов искусственно были получены ряд химических элементов. В настоящее время число элементов периодической системы равно 110 (рис. 19). Современные ускорители элементарных частиц позволяют синтезировать ещё более тяжелые ядра, но они являются очень неустойчивыми, т.е. их время жизни чрезвычайно мало (миллионная доля секунды и менее). Однако есть мнение, что элементы, порядковый номер которых выше 120, возможно устойчивые. Поэтому в настоящее время вопрос о полноте списка элементов в периодической системе Менделеева остается открытой. В заключении следует заметить, что современная атомная физика разрешила проблему алхимиков средневековья. Ускорители элементарных частиц позволяют синтезировать из одного вещества другое. Таким путём, например, можно из ртути синтезировать золото, т.е. осуществить мечту алхимиков. Однако золото, полученное таким путем, будет стоит очень и очень дорого, намного дороже чем природное. Рис. 19. Таблица химических элементов Д. И. Менделеева 3. Строение молекул, химические связи и их виды Теория молекулярного строения вещества является одним из основных разделов квантовой химии. Как было отмечено, атомы соединяются и образуют молекулы посредством химических связей. Молекулы, как и атомы также являются квантовыми объектами. Молекулы характеризуются своим составом, молекулярной массой и структурной формулой и отличаются друг от друга этими признаками. Например, состав воды определяется формулой Н2О, её молекулярная масса равна 18 и её структурная формула имеет вид: Н – О – Н. Размер молекулы зависит от её массы и структуры и примерно равен 10 -7 м (одна десятимиллионная часть метра). Ряд молекул, имея одинаковый состав, отличаются друг от друга расположением атомов и последовательностью химических связей. Эти молекулы называются изомерами; они имеют разные структурные формулы и разные химические свойства. Химические связи являются одним из важнейших понятий квантовой теории молекул. Химическая связь – способ, посредством которого из атомов образуются молекулы. Химические связи возникают только за счет электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов, из которых состоят молекулы. Основными видами химических связей следует считать две из них – ионная и ковалентная. Ионная связь появляется в результате перехода электронов из одного атома в другое и образования положительных и отрицательных ионов (например, NaCl). Ковалентная связь возникает в результате того, что внешние электроны атомов, образующих молекулу, становятся общими для ядер обоих атомов (например, Н2, О2, СО2 и т.д.). Также отличают металлическую и водородную химические связи (рис. 20). Рис. 20. Химические связи 4. Роль и место химии в человеческом обществе Когда речь идёт о роли и место химии и химической промышленности, то каждый современный человек независимо от того, настолько он сведен в таких вопросах, имеет своё собственное мнение по этой проблеме. Сегодня всем известно, что говорить о повышении урожайности сельскохозяйственных культур без использования минеральных удобрений и ядохимикатов, бессмысленно. Однако, их применение приводит к загрязнению воды и атмосферы, почвы и выращенной продукции. Поэтому сегодня продукты, полученные без химикатов, имеют повышенный спрос. Появился также специальный термин – «экологически чистый продукт». В промышленности применение новых химических веществ способствует повышению производственной мощности отрасли. Однако, эти достижения также приводят к нежелательным экологическим последствиям, так как большинство новых синтетических химических веществ в естественной среде не разлагается и загрязняет окружающую среду. Сегодня химия глубоко проникла и в сферу производства пищевых и бытовых продуктов, где пагубные экологические последствия ещё более очевидны. Основными источниками загрязнения природы являются комбинаты черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, автотранспорт, сжигание мусора и отходов и т.д. Ежегодно в окружающую среду выбрасываются около 20 млрд. тонн углекислого газа (СО2), 300 млн. тонн угарного газа (СО), 50 млн. тонн оксидов азота (NO, NO2), 150 млн. тонн двуокиси серы (SO2), около 400 млн. тонн сажи, золы и т.д. И эти цифры из года в год имеют тенденцию увеличения. Только один пример: углекислый газ прозрачен для солнечного света, но не пропускает тепловое излучение Земли в атмосферу. В результате этого так называемого парникового эффекта средняя температура Земли повышается, происходит постепенное потепление климата, что проводит к таянию снега на полюсах Земли и ледников в горах, что может вызвать катастрофическое повышение уровня мирового океана и такого же увеличения влажности атмосферы. Повышение уровня мирового океана приведет к затоплению большой части суши, а повышение влажности – к потере возможности нормальной жизнедеятельности большинства живых организмов и, в первую очередь, человека. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа 1. Назовите основные периоды становления и развития современной химии 2. Расскажите о роли Д.И. Менделеева в становлении химии 3. Почему теоретической основной химии является квантовая механика? 4. Расскажите об основных химических связях. 5. Какую роль играет химия в человеческом обществе? Б) Тестовые вопросы. 1. Число известных химических элементов равно А) 64 Б) 92 В) более 100 Г) около 18 млн. 2. Число известных естественных и синтезированных молекул равно А) 64 Б) 92 В) более 100 Г) около 18 млн. 3. По какому принципу размещаются электроны вокруг ядра атома? А) принцип относительности Эйнштейна Б) принцип запрета Паули В) принцип неопределенности Гейзенберга Г) принцип дополнительности Бора 4. До скольких электронов могут находится во втором и третьем слоях вокруг ядра атома? А) до 2-х электронов б) до 8 – и электронов в) до 18 – ти электронов г) до 32 – х электронов 5. До скольких электронов могут находится в шестом и седьмом слоях вокруг ядра атома? А) до 2-х электронов б) до 8 – и электронов в) до 18 – ти электронов г) до 32 – х электронов Тема 5. Современная астрономическая картина Мира. Основы космологии 20 века План занятий: 1. Стандартная модель эволюции Вселенной и «концепция большого взрыва» 2. «Эффект красного смещения» и реликтовое излучение 3. Возраст и сценарий будущего Вселенной 4. Открытия в современной космологии и их мировоззренческое значение. 1. Стандартная модель эволюции Вселенной и «концепция большого взрыва» Во все времена внимание человека привлекали такие проблемы, как тайны мироздания, т.е. происхождения Вселенной, звездного неба, Солнце и Земли, смена времен года, смена дня и ночи и так далее. Поэтому в древности, ещё тогда, когда знания о явлениях природы не имели научную основу, среди людей распространялись различные мифологические и надуманные мнения, объясняющие эти явления. Религиозные же догмы рассматривали происхождение Веселенной и космических объектов, а также явления природы как акт божественного творения. С появлением научных знаний прежние представления о вышеназванных проблемах были заменены научными представлениями и гипотезами. Проблема происхождения и эволюции Вселенной является предметом изучения специального раздела астрономии – космологии. Космология – это учение о Вселенной как единой и целостной системе и её главной целью является установление закономерностей происхождения и эволюции этой системы. Выводы этого учения называются космологические модели Вселенной и эти модели основаны на законах физики, астрономических данных и ряда философских принципов. Одним из важнейших философских принципов является утверждение, согласно которому физические законы, установленные в некоторой части вселенной (например, на Земле), считаются действующими во всей Вселенной. Второй принцип утверждает, что астрономические наблюдения в некоторой части Вселенной можно применить и в других областях Вселенной. Третий принцип гласит, что только те выводы и заключения являются достоверными, которые не противоречат самому существованию наблюдателя (т.е. человека). Например, согласно первому принципу, законы всемирного тяготения Ньютона применим не только для земных явлений или явлений в Солнечной системе, но и для явлений во всех частях Вселенной. Только и только с учётом этих принципов космологию можно считать научным учением. Как было отмечено, космологические выводы называются моделями происхождения и эволюции Вселенной. Возникает вопрос: Почему они называются моделями, а не теориями? Дело в том, что согласно основным принципам современного естествознания, только те научные результаты можно считать действительными и достоверными, которые имеют экспериментальное доказательство. То есть только и только опыт следует считать мерилом научной действительности. Однако, большинство астрономических наблюдений невозможно повторить опытным путём, их нельзя сконструировать в лаборатории. Поэтому выводы этих наблюдений нельзя назвать законами природы; их называют моделями, или одним из возможных объяснений. Космологические модели каждого исторического периода развития науки достаточно отличаются друг от друга в зависимости от того, на каких принципах и законах физики они основаны. Первые космологические представления, появившиеся в глубокой древности были ненаучными и наивными. Однако, со временем, с развитием различных наук, в том числе естествознания, космологические представления также изменяются, развиваются и приобретают научную основу. Появление современной космологии тесно связано с созданием теории относительности Эйнштейна, релятивистской астрофизики и квантовой механики. Модель, принятая современной космологией, получило название модели однородной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, основу которой составляют общая теория относительности и релятивистская теория тяготения Эйнштейна. Однородность и изотропность Вселенной означает, что её свойства соответственно во всех точках и на всех направлениях одинаковы. Нестационарность Вселенной означает зависимость её свойств от времени. В 1916 году А. Эйнштейн нашёл стационарные (не зависящие от времени) решения уравнений общей теории относительности и предложил стационарную модель Вселенной. Русский физик и математик Александр Фридман в 1922 году предложил нестационарные решения уравнения Эйнштейна и теоретически доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом не может быт стационарной и должна периодически расширяться и сжиматься. На первых порах Эйнштейн не принял и отрицал научные доводы Фридмана, однако позже (1923 г.) он исправил свою ошибку и принял результаты Фридмана. Через некоторое время (1929 г.) американский учёный Эдвин Хаббл повторил и объяснил ранее открытое явления «эффекта красного смещения» и экспериментально доказал теорию Фридмана. Согласно этим данным Вселенная расширяется. Однако, если Вселенная расширяется, то она должна иметь своё начало. Тогда возникает естественные вопросы типа: «В каком состоянии была Вселенная в момент своего начала?», «Сколько времени прошло от начала до настоящего времени?», «Каков сценарий будущего Вселенной?» и т.д. В 40-ых годах 20 века американский физик Георгий Гамов на основе полученных теоретических и экспериментальных результатов предложил так называемую стандартную модель Вселенной. Согласно этой модели в начале Вселенная представляла собою точку (сингулярную, т.е. с особыми свойствами), которая имела неизмеримо большую плотность (ρ ~ 1094 г/см3) и температуру (Т > 1015 oC). Согласно современным физическим принципам такое состояние системы является абсолютно неустойчивым и система не может находиться сколь угодно долго в таком состоянии. Единственным выходом из этого состояния является взрыв. Поэтому выводы этой модели называют концепцией большого взрыва. Таким образом, начало эволюции Вселенной совпадает с начальными моментами взрыва. Предполагается, что этот взрыв произошёл примерно 15 – 20 млрд. лет назад, в результате которого Вселенная начинает расширяться с постепенным падением температуры. По степени расширения учёные делают выводы о состоянии материи в разных периодах эволюции Вселенной. Предполагается, например, что всего после 0,01 сек после взрыва плотность материи уменьшается до 1014 г/см3 (т.е. на 80 порядков), а температура понижается до 109 oC. При таких условиях во Вселенной могли существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтроны, антинейтроны и в малом количестве легкие нуклоны (ядра атомов водорода и гелия). При этом были возможны явления аннигиляции и рождения пар частица-античастица по схеме е- + е+ γ + γ. Также предполагается, что через 3 минуты после взрыва из имевшихся нуклонов и электронов появились легкие атомы водорода и гелия и Вселенная стала заполняться смесью этих газов. Последующая эволюция Вселенной, в течение которой рождаются звёзды, другие космические тела и их системы, является предметом изучения следующей темы (тема 6). Сейчас же приступим к обсуждению открытий, которые показывают достоверность стандартной модели и дают достоверные научные выводы. 2. «Эффект красного смещения» и реликтовое излучение Ещё в 1912 г. (т.е. ещё до создания общей теории относительности Эйнштейна) американский астроном Весто Слайфер открыл явление «эффекта красного смещения». Он наблюдая за светом, приходящим из других галактик, обнаружил, что в его спектре спектральные линии смещены к длинноволновому (т.е. красному) краю по сравнению с такими же линиями в спектрах, неподвижных относительно наблюдателя источников света (рис. 21). Согласно физическому явлению эффекта Доплера это смещение говорит об удалении галактик от наблюдателя, или, что то же самое, о расширении Вселенной. Рис. 21. Смещение линий в спектре далекой галактики В 1929 году другой американский астроном Эдвин Хаббл вычислил расстояния до галактик и сравнивая эти данные с величиной красного смещения спектра света от этих галактик показал, что величина смещения увеличивается с увеличением расстояния до галактик. Этот результат, называемый законом Хаббла можно записать в виде v = Hr здесь v – скорость удаления галактик (расширения Вселенной), r – расстояние до галактик и Н – коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Из закона Хаббла следует, что в настоящее время величина скорости удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию, т.е. чем дальше находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются. Согласно современным оценкам эта скорость равна 50100 км/сек. на каждый мегапарсек расстояния (1 мегапарсек = 1 миллион парсек и 1 парсек = 3,08*1016 м – единица расстояния в астрономии, которого проходит свет за 3,26 лет). К настоящему времени измерены красные смещения для нескольких тысяч галактик. Вспомним, что через 3 минуты после взрыва Вселенную заполнила смесь газов водорода и гелия. Такая среда прозрачна для фотонов (γ - лучей) и во Вселенной начинается излучение фотонов. Одним из выводов модели горячей и расширяющей Вселенной состоит в том, что в настоящее время в космосе должны быть обнаружены остатки упомянутых излучений начального периода эволюции Вселенной. Примечательно, что эти излучения были обнаружены в 1965 году, названные реликтовыми. Существование реликтовых излучений является другим подтверждением достоверности стандартной модели эволюции Вселенной. 3. Возраст и сценарий будущего Вселенной Одним из значительных результатов космологических исследований 20 века является оценка возраста и предсказания сценарии будущего Вселенной. В самом деле, если Вселенная имеет начало, то возникает естественный вопрос о времени, прошедшей от начала до настоящего времени, т.е. о возрасте Вселенной. На этот вопрос даёт ответ закон Хаббла. Из равенства v = Hr видно, что величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени и имеет смысл возраста Вселенной. В самом деле, в механике скорость тела v определяется отношением пройденного пути к промежутку времени: v = r/τ. Здесь по определению τ – время, в течение которого тело со скоростью v проходить расстояние r, т.е. τ – есть время движения тела. Согласно астрономическим данным постоянная Хаббла равна 2,5*10-18 1/сек. Отсюда τ ≈ 4*1017 сек., или равно примерно 13 млрд. лет. Конечно это число является оценочным и зависит от закономерностей изменения постоянной Хаббла. Если в будущем окажется, что расширение Вселенной постепенно будет замедляется, то возраст Вселенной будет меньше чем 13 млрд. лет. Если же окажется, что во Вселенной действует космологические силы отталкивания, то этот возраст возрастет до 20 млрд. лет и более. Эволюция Вселенной от момента большого взрыва до настоящего времени (модель), схематически показано на рис. 22. Современное состояние Вселенной Период непрозрачности Формирование галактик, звёзд и т.д. Момент большого взрыва Первые звёзды, спустя 400 млн. лет Расширение вследствие большого взрыва ~ 13 миллиард лет Рис. 22. Модель эволюции Вселенной от большого взрыва по настоящее время Человек хочет знать не только возраст Вселенной, но и сценарий её будущей эволюции. С этой целью учёные используют выводы нестационарной релятивистской космологии. Как было отмечено, эти выводы были получены русским космологом А.А.Фридманом. Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющими телами, не может быт стационарной – она должна либо расширяться, либо сжиматься. Расчеты показали, что решения космологических уравнений зависят от среднего значения плотности вещества Вселенной в настоящее время и её отношения к критической плотности кр , следуемой из уравнений Эйнштейна. Из отношения к кр следует три возможные сценарии будущего Вселенной (рис. 23). R кр кр кр O tо O1 t Рис. 23. Изменения расстояния между точками Вселенной R от времени t в эволюционных моделях Вселенной по Фридману Если среднее значение плотности меньше критической ( < кр ), то Вселенная будет ускоренно и бесконечно расширяться (гиперболическое расширение). Если = кр , то будет замедленное бесконечное расширение (параболическое расширение). Если же > кр , то Вселенная будет пульсирующей (расширяться и сжиматься). Во всех трех моделях Вселенная имеет начало (точка О). В первых двух моделях в результате расширения расстояния между галактиками будет бесконечно увеличиваться. В третьей модели расширение циклически сменяется сжатием и в точке О1 Вселенная возвращается к новому начальному состоянию. В точке О1 плотность и температура опять примут неизмеримо большое значение. В результате взрыв будет неизбежным и начнется новый цикл эволюции. На рисунке время tо соответствует современному состоянию эволюции Вселенной. Для выбора одного из возможных сценариев необходимо определить критическую кр и среднюю плотность вещества Вселенной. Согласно современным данным кр ~ 10-29 г/см3, а ~ 10-31 г/см3 т.е. < кр . Таким образом, согласно современным представлениям Вселенная расширяется по гиперболической модели. Следует заметить, что эти результаты не являются стопроцентно достоверными. Поэтому, возможно в будущем, с появлением новых представлений и фактов, получать большее преимущество другие модели сценарий будущего Вселенной. Если будущее эволюции Вселенной будет разыгриватся по первым двум моделям, то через 1014 лет звезды погаснуть и становятся холодными, планеты покинуть свои звезды, а звёзды своих галактик, т.е. галактики распадутся. О последующей эволюции Вселенной нет достоверных данных, однако она, возможно, зависит от устойчивости протона. Было установлено (тема 3), что протон является устойчивой частицей. Если окажется, что протон не является устойчивым и через 10 31 лет распадется на γ - квант и нейтрино, то Вселенная превратиться в вместилище нейтрино и γ – квантов (фотонов) с малой энергией и через 10100 лет во Вселенной останется только электронпозитронная смесь с достаточно малой энергией. Однако, если протон окажется устойчивой частицей, то через 65 10 лет все вещества, твердые в том числе, превратятся в жидкие капли и через 101500 лет все вещества приобретут радиоактивное свойство и превратятся в конечном итоге в железо. Рассмотрим теперь сценарий будущего Вселенной согласно третьей модели. В этом случае примерно через 30 млрд. лет Вселенная перестанет расширятся и начнется её сжатие. Примерно через 50 млрд. лет с момента начала сжатия Вселенная свернется в точку (точка О1 на рис. 22). Таким образом, полный цикл расширения и сжатия Вселенной займет порядка 100 млрд. лет. В дальнейшем опят взрыв и опять расширение, однако, по какой модели пойдет дальнейший ход эволюции уже будет зависеть от конкретных параметров. 4. Открытия в современной космологии и их мировоззренческое значение Во все времена проблемы происхождения Вселенной и её эволюции к нынешнему состоянию, как с точки зрения познания, так и конкретных наук и философии, считалось одной из важнейших и загадочных проблем, стоящих перед человечеством. Несмотря на то, что в течении 20 века создание теории относительности Эйнштейна, квантовой механики, усовершенствование технических средств астрономических наблюдений и начало освоения космоса внесли некоторую ясность к этой проблеме, к началу 21 века в вопросе происхождения Вселенной все ещё остались белые пятна, требующие разъяснения. Как вскоре убедимся из следующих тем, другая, сопоставимая с происхождением Вселенной проблемой является проблема происхождения человека. Каждый человек, который обратить внимание на эти две проблемы, сознательно или без оного будет искать взаимосвязи между ними, т.е. произвольно возникают вопросы следующего порядка: 1. Вселенная создана для человека и его жизнедеятельности, или, наоборот, человек создан для её изучения и покорения космического пространства? 2. Вселенная, в которой возникла биологическая форма жизни единственна, или их в космическом пространстве множественно? Таких вопросов много, однако в настоящее время современная наука не может дать на такие вопросы исчерпывающие ответы. Тем не менее 20 век сумел осветить некоторые аспекты этой проблемы и предложил ряд выводов, подтвержденные опытным путём. Ниже приводим эти выводы: - Вселенная является единственной, целостной и совершенной системой и все процессы, протекающие в ней взаимосвязаны; - Вселенная имеет начало, произошла в результате большого взрыва и в настоящее время расширяется; - возраст Вселенной оценивается в 10-20 млрд. лет; - о сценарии будущего Вселенной имеются две равноправные научные утверждения: а) Вселенная бесконечно расширяется и, по истечении неизмеримо больших лет в ней останутся лишь ультрадлинноволновые фотоны и сверхразреженная электронпозитронная плазма; б) Вселенная циклически (периодически) расширяется и сжимается, тогда, после одного полного цикла, она приходит к начальному состоянию и начинается новый цикл эволюции; - наблюдения и космологические выводы приводят к мысли о том, что человечество одинока во всей Вселенной, или, по крайней мере, в нашей галактике. Это идея приводит к важнейшим мировоззренческим выводам о месте и роли человека, о значение и ценности земной цивилизации и её достижений в этом мире. Вполне возможно, что человек является наивысшим достижением эволюции Вселенной. Если это так, то мы земляне, должны постоянно помнить нашу ответственность о сохранении нашей планеты и всей Вселенной в целом. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа 1. Расскажите о стандартной модели эволюции Вселенной. 2. «Эффект красного смещения» - что это такое? 3. Как оценивают возраст Вселенной? 4. Какие модели будущего Вселенной существует? 5. Расскажите о мировоззренческом значениях открытий в современной космологии. Б) Тестовые вопросы. 1. Какая теория составляет научную основу стандартной модели Вселенной? А) теория тяготения Ньютона Б) квантовая теория В) специальная теория относительности Эйнштейна Г) общая теория относительности Эйнштейна 2. Каков возраст нашей Вселенной? А) 5 млн. лет Б) 5 млрд. лет В) 13 млрд. лет Г) 13 млн. лет 3. Какая из этих формул является законом Хаббла? А) v = ωR Б) v = HR В) v = R/t Г) v = at 4. Кто является автором стационарной модели эволюции Вселенной? А) А. Эйнштейн Б) А. Фридман В) Э. Хаббл Г) В. Слайфер 5. Кто является автором нестационарной модели эволюции Вселенной? А) А. Эйнштейн Б) А. Фридман В) Э. Хаббл Г) В. Слайфер Тема 6. Современная астрономическая картина Мира План темы: 1. Звёздная и планетная космогония. 2. Проблема жизни и разума во Вселенной и внеземные цивилизации 3. Солнечная система и её происхождение. Строение и геологическая история Земли. 4. Методологические установки астрономии 20 века. 1. Звёздная и планетная космогония Если полистать историю астрономии, то окажется, что ещё в третьем тысячелетии до новой эры в Древнем Востоке, в особенности в Египте и Вавилоне начальные астрономические знания появились с целью составления календаря и летоисчисления. При этом эти знания были получены в рамках существующих астрологических убеждений. Астрология – учение, согласно которому по расположению небесных тел можно предсказать судьбы людей и будущие события. Первый, дошедший до нас астрологический гороскоп был составлен ещё в 5-ом веке до новой эры. В далёком и недавнем прошлом правители и состоятельные люди держали при себе штатных астрологов и прежде чем начать что-то важное советовались с ними. Вплоть до 17 века в учебных планах европейских университетов наравне с астрономией числилась и астрология. И сегодня не мало людей, которые верят и обращаются гадалкам и прочим экстрасенсам, на страницах газет постоянно публикуются гороскопы… Первые попытки придания астрономии научной основы были предприняты ещё в Древней Греции. Ярким примером этого является научный труд древнегреческого учёного Клавдия Птолемея «Алмагест», где автор изложил основы Геоцентрической системы Мира. Поистине революционный шаг в астрономии был сделан в эпохе Возрождения (16 в.). Польский астроном Николай Коперник предложил Гелиоцентрическую систему Мира. О важности этой идеи говорит то, что в истории науки эта работа названа «коперниканская революция». Последователь Н.Коперника неаполитанский священник Джордано Бруно (Италия) объединил гелиоцентризм с известной ещё до Коперника идеей об однородной, изотропной и безграничной Вселенной и предложил концепцию бесчисленных планетных систем и бесконечного Мира. За эти научные идеи католической инквизицией (судом) Бруно был объявлен еретиком и после восьмилетнего заключения был сожжен на костре. Это случилось 17 февраля 1600 г. И только через 300 лет на месте казни ему был поставлен памятник. Последующее развитие астрономии связано с именами выдающихся учёных 16-17 в.в. Тихо Браге, Иоганн Кеплер, Рене Декарт и Исаак Ньютон. Датский астроном Т. Браге в течении более 40 лет вёл наблюдения за движением планет и перед смертью свои записи передал немецкому учёному И. Кеплеру. На основе этих данных Кеплер открыл три известных законов движения планет и окончательно установил, что эти движения управляются Солнцем. В развитии теоретических взглядов в физике и астрономии также велика роль французского учёного Р.Декарта. Его можно назвать основоположником научной космогонии. Космогония является разделом астрофизики и учением о происхождении, эволюции и строении космических объектов и их систем. Основоположник классической механики, выдающиеся физик и математик И.Ньютон обобщая результаты естествознания 17 века установил законы, которые стали основой научных исследований по физике и астрономии в последующие более чем 200 лет. Ньютон показал, что из открытого им закона всемирного тяготения можно легко вывести законы Кеплера. Этим Ньютон доказал, что земные и небесные явления имеют одинаковую физическую природу и подчиняются одним и тем же законам. Следует заметить, что Ньютон к этим своим поистине революционным выводам пришёл ещё будучи молодым человеком (в возрасте 22-24 лет). В течении многих столетий астрономия считалось наукой о Солнечной системе. И только в 18 веке было начато изучение мира звезд и галактик. Именно в эти годы были сделаны первые попытки измерения расстояния до звезд и между звёздами; с помощью телескопов были обнаружены новые объекты – туманности, которые на самом деле оказались скоплениями огромного числа звезд – галактиками и которые находились на очень больших расстояниях. В этих исследованиях большой вклад внес английский астроном В.Гершель. Он с помощью созданных им мощных телескопов открыл более 2500 туманностей (галактик). Первую теорию развития Вселенной на основе теории тяготения Ньютона предложил известный немецкий мыслитель и философ Иммануил Кант (1755). Чуть позднее (в 1796 г.) французский физик, математик и философ Пьер Симон Лаплас независимо от Канта предложил идею, близкую кантовской, которая получила название гипотеза Канта-Лапласа. Именно эта гипотеза составляет основу современной космогонии, согласно которой все космические объекты произошли из космической пыли вследствие её вращательного движения. Возникает естественный вопрос о том, что откуда могли взяться частички этой космической пыли. Как было отмечено (см. тему 5) в определенном периоде эволюции Вселенной в результате её расширения и понижения температуры из существующих элементарных частиц образовались атомы водорода (Н) и гелия (Не), смесь которых и заполнили космическое пространство. Согласно современной космогонии звезды образовались из сгустков этой смеси в результате вращательного движения. В самом деле, в результате вращения плотность центра сгустка будет возрастать, температура повыситься и сгусток превратиться в огненный шар, которого мы называем звездой. Температура центральной части звезд достигает десятки миллионов градусов. При таких температурах атомы водорода и гелия теряют свои электроны и превратятся в голые ядра (ионизируются). Такое состояние системы называют плазмой, т.е. звезда с точки зрения физики представляет собой плазменный шар. Согласно принципам ядерной физики при таких огромных температурах в недрах звезд начинается реакция синтеза легких элементов, или термоядерная реакция. В результате образуется ядра более тяжелых химических элементов, и выделяется большое количество энергии. Другими словами звезда – это термоядерная бомба, которая постоянно взрывается. В процессе взрыва образовавшиеся более тяжелые ядра выбрасываются наружу, и на своем пути захватывая нужные электроны, превращаются в химические элементы. Из-за этого звезду называют «фабрикой» химических веществ. По величине звёзды бывают в десятки раз меньше и тысячи раз больше, чем Солнце. В конце своей жизни массивные звезды взрываясь, превратятся в сверхновую звезду, выбрасывая огромное количество химических элементов. Предполагается, что наше Солнце является звездой второго поколения и появился почти 5 миллиардов лет назад на месте взрыва массивной звезды, из остатков которых образовались планеты, малые планеты, астероиды, метеороиды и кометы. 2. Проблема жизни и разума во Вселенной и внеземные цивилизации Проблема внеземных жизни, разума и цивилизаций входит в ряд проблем, который столетиями привлекал внимание не только специалистов, но и простых людей. О внеземных цивилизациях много сказано и написано в художественной литературе, в особенности, в жанре фантастики. Начиная с второй половины 20 века, в результате получения новых астрономических данных, создания и использования новейших мощнейших астрономических установок и начала практической космонавтики, постановка проблемы внеземных цивилизаций вновь вышла на передний план. В наши дни поиск неопознанных летающих объектов (НЛО) и встреча с инопланетянами вновь становится привлекательной темой не только средств массовой информации, но и даже ряда известных научных и научно-популярных журналов. Исходя из этого, следует вполне логичный вопрос о том, что как относится к этой проблеме современная наука и делается ли что-либо в этом направлении. Чтобы ответить на поставленный вопрос, следует, во-первых, заметить, что постановка вопроса внеземных цивилизаций имеет научную основу. Современная наука рассматривает внеземные цивилизации как общество разумных существ, обитающих на других кроме Земли космических объектах. Кстати, согласно современным представлениям Земля является рядовой планетой (одна из восьми) Солнечной системы и отличается от других планет только своим расположением относительно Солнца и рядом структурных отличий. Солнце, в свою очередь, является рядовой звездой нашей галактики (Млечный путь), состоящей из 150-200 млрд. звезд. Наша галактика также является одной из множества таких же галактик и по современным данным общее количество звезд во Вселенной оценивается числом 1022. Это очень и очень много. Отсюда следует, что число планет, в которых возможно возникновение жизни также равно 1022 (если считать, что вокруг каждой звезды имеется хотя бы одна планета, похожая на Землю). 75 млн . 2 млн. 250 тыс. Рис. 24. Масштабы Вселенной Однако не во всех планетах, расположение которых относительно своей звезды благоприятно появлению жизни, обязательно должна возникнуть жизнь. С учётом параметров Земли и Солнца можно утверждать, что появление жизни возможно лишь на той планете, где: - температура не очень высокая и не очень низкая; - имеется водная оболочка (гидросфера), т.к. согласно современным представлениям самые простейшие первичные формы жизни появились в воде; - масса планеты должна быть не очень маленькой и не очень большой, ибо в первом случае она быстро теряет свою атмосферу, а во втором случае первичный состав атмосферы, состоящий в основном, из водорода и гелия, не изменится и не появиться в её составе кислород. Рис. 25. Галактика Андромеда - имеются благоприятные условия для синтеза сложных молекулярных соединений, составляющих основу живого организма. С учётом сказанного можно предположить, что только 1 - 2% звезд могут иметь планеты, где возможно появление жизни. Даже с учётом всего сказанного количество планет, где появление жизни возможно равно очень большому числу ~ 1020. Согласно этим данным только в нашей галактике число таких планет возможно равно 109 (миллиард). Согласно современным астрономическим данным в Солнечной системе только на планете Марс и вероятно на спутнике Юпитера – Ио возможно существование простейших форм жизни. В настоящее время (апрель 2013 г.) на Марсе функционирует посланный американцами Марсоход «Кюриосити», который исследует планету, в том числе, на предмет обнаружения признаков жизни. Однако, пока положительных результатов нет. Начиная с 60 – х годов прошлого века в США и в бывшем СССР, а потом в России проводились и проводятся ряд исследований, из которых следует, что: - проблема внеземных цивилизаций и её исследование имеет научную основу; - эта проблема является многоплановой и междисциплинарной и ее решение требует международного сотрудничества и совместных действий специалистов разных направлений естествознания, техники, гуманитариев и философов. Поэтому исследования проводились в следующих направлениях: - анализ и развитие теоретических основ и мировоззренческих проблем происхождения и развития внеземных цивилизаций; - разработка различных путей поиска внеземных цивилизаций и установление связи с ними; - разработка методов обнаружения внеземных цивилизаций по следам их деятельности; - поиск возможных сигналов от внеземных цивилизаций и наблюдения на радиоволновых и оптических диапазонах; - отправка данных о существования земной цивилизации внеземным цивилизациям. Таким образом, во второй половине 20 века развитие естествознания и астрономии в том числе, дало возможность перевести проблему внеземных цивилизаций из разряда чисто теоретических к разряду научных и практических задач. В настоящее время предложены три варианта установления связи с внеземными цивилизациями: 1. Непосредственная связь, т.е. организация космического путешествия с возвращением на Землю. 2. Космическое путешествие без возврата, т.е. освоение других космических объектов человеком для дальнейшего проживания. 3. Информационная связь на радиоволновых диапазонах частот. Теоретический анализ вышеприведенных связей с внеземными цивилизациями является предметом обсуждения ученых, однако до сих пор не известно пути практического их решения. Основной причиной этого является неизмеримо большие расстояния между космическими объектами. Так, расстояние от нас до ближайшей звезды (α – Центавра) примерно 40 триллионов км (чтобы представить себе это расстояние предположим, что между Землей и этой звездой проложена шоссейная дорога, тогда автомобиль, двигаясь без остановки со скоростью 100 км/час преодолеет это расстояние за … 45 млн. лет). Расстояния до других звезд нашей галактики и, особенно, до других галактик еще более велики (см. рис. 24). Поэтому в астрономии пользуются специальными единицами измерения длины. В рамках солнечной системы удобно пользоваться астрономической единицей (1 а.е.) равной 150 млн. км, т.е. расстоянию от Солнца до Земли. Для измерения больших расстояний пользуются световым годом (1 с.г.) равным расстоянию, которого проходит свет в течении 1 года. Так как 1 год = 31, 5*106 сек. и скорость света с = 300000 км сек, то 1с.г = 9,45*1012 км, т.е. равен примерно 10 триллионам км. Согласно точным астрономическим данным диаметр Нашей Галактики равен 100000 световых лет, а расстояние до ближайшей галактики (Андромеда) – 2 млн. с.л. (см. рис. 25). Очевидно, что путешествие на такие расстояния занимает столетия, тысячелетия и миллионы лет и, следовательно, непосредственные контакты практически невозможны: например, расстояние до ближайшей звезды (α - Центавра) равно 4,2 световому году. Тогда, даже современными космическими кораблями скорости которых – 15 км/сек, путешествие до этой звезды занимает 800000 лет (восемьсот тысяч лет!). В конце 2012 г. в средствах массовой информации прошла информация о том, что якобы ученые обнаружили на нашей галактике на расстоянии 42 с.л. космический объект (планета какой то звезды), где возможна биологическая форма жизни. Нетрудно посчитать, что на современных космических кораблях можно добраться до этой планеты за 8 млн. лет. С этой точки зрения, не только непосредственные контакты, но даже путешествия в одну сторону на сегодняшний день практически невозможны. Во всяком случае задачу о целесообразности таких полётов должны решать наши потомки в далеком будущем. Таким образом, в настоящее время, практически возможным контактом с внеземными цивилизациями является только радиосвязь. Поэтому начиная с 60 – х годов прошлого века в США и бывшем СССР был начать поиск радиоволновых информаций от внеземных цивилизаций с помощью мощных радиоантенн. Кроме этого, одновременно была начата передача зашифрованных радиосигналов в разных направлениях космоса о земной жизни и цивилизации. К сожалению эти, более чем 50 – летные, исследования не дали положительных результатов. Однако, эти отрицательные результаты вовсе не говорят том, что внеземные цивилизации отсутствуют и что мы земляне одиноки во всей Вселенной. В самом деле, если даже в Нашей галактике существуют внеземные цивилизации на расстояниях всего 50 – 60 световых лет, то для осуществления обмена информацией с ними требуются минимум 100 – 120 лет. За этот период сменится несколько поколений людей, измениться научно – технические возможности человека, возможно, будут совершенно другими его цели и интересы. Поэтому не исключено, что важные для нас цели и информации, для будущих поколений потеряют свое значение. И наконец, мы не должны забыть о том, что наша земная цивилизация возможно единственная во всей Вселенной, или, по крайней мере, на нашей галактике и что наша Земля единственная планета, на которой в результате космологической эволюции зародилась жизнь и человеческая цивилизация. Таким образом, сегодня на вопрос «есть ли во Вселенной внеземные цивилизации?» ответ должен звучать так: «возможно есть, возможно нет», так как подтверждать и отрицать такую возможность мы пока не можем. 3. Солнечная система и ее происхождение. Строение и геологическая история Земли Как мы уже отмечали, Солнце является одной из рядовых звезд Нашей галактики (Млечный путь), вокруг которого вращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды. Солнце можно представить в виде огненного шара, плотность которого составляет всего 1,4 г/см3, а температура его поверхности и недра соответственно равны 6000 0C и 30 – 40 млн. градусов. Солнце, в основном, состоит из газов водорода и гелия, которые из – за высоких температур находятся в ионизированном состоянии. Радиус солнечного круга равен 700 тыс. км, т.е. более в 100 раз крупнее Земли. Солнце вместе с упомянутыми объектами, вращающиеся вокруг него, составляют Солнечную систему. Согласно астрономическим данным Солнечная система образовалась примерно 4,5 – 4,7 млрд. лет назад. Самими крупными объектами этой системы кроме Солнца являются планеты, большая часть которых имеют свои спутники (см. таблица 2 и рис. 26). Таблица 2 Основные характеристики планет Солнечной системы № Планет а 1 Меркур ий 2 Венера 3 Земля 4 Марс 5 Юпите р 6 Сатурн 7 Уран 8 Нептун Расстоя Период Радиус Масса Количес ние от вращен (относител (относител тво Солнца ия ьно ьно массы известн (астр. (земно радиусу Земли)*** ых ед.)* й год) Земли)** спутник ов 0,4 0,24 0,38 0,055 0 0,7 1,0 1,5 5,2 0,62 1,00 1,88 11,87 0,95 1,00 0,53 11,20 0,815 1,000 0,107 318 0 1 2 65 9,6 19,2 30,1 29,67 84,05 164,49 9,40 4,00 3,90 95,2 14,5 17,2 61 27 13 * 1 астрономическая единица = 150 млн. км **Радиус Земли = 6370 км ***Масса Земли = 5,9 * 1024 кг Рис. 26. Солнечная система Известно, что согласно законам Кеплера орбиты планет являются эллипсами, в одном из фокусов которых расположено Солнце. На самом деле орбиты планет солнечной системы практически являются окружностями. Расстояние от Земли до Солнца равно 150млн. км, а радиус Солнечной системы (т.е. расстояние от Солнце до планеты Нептун) примерно равно 4,5 млрд. км. За Нептуном возможно одна или несколько других планет, но из-за больших расстояний и может быть, малых размеров они до сих пор не обнаружены. Между прочим, ещё в 1930 году была открыта девятая планета Солнечной системы – Плутон, однако в начале 21 века, по решению Международного конгресса астрономов из-за его малого размера и недостаточных данных о ней, планета Плутон была исключена из числа планет солнечной системы. Ее теперь называют малой планетой. По физико - химическим свойствам планеты делятся на две группы: а) планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля и Марс) б) планеты - гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Начиная с 60 годов 20 века планеты и их спутники исследуются с помощью космических аппаратов (ракет и станций). В том числе, достаточно подробно исследованы первые 6 планет, их атмосферный и поверхностный состав. С помощью спускаемых аппаратов определены физико - химические свойства поверхности Венеры, Марса, и Луны, американские астронавты дважды посетили Луну и непосредственно исследовали лунный грунт. Рис. 27. Сравнительные размеры космических объектов Рис. 28. Среднее расстояние планет до Солнца (млн. км) Малые планеты это объекты размером около 1000 км и более, вращаются по круговой орбите. Кометы вращаются вокруг Солнца по явно выражённым продолговатым орбитам в форме эллипса. Вследствие этого один их полный оборот составляет десятки и даже сотни лет. Поэтому, в течении жизни одного поколения людей данная комета может появиться (приблизиться к Земле) только один раз или вовсе может непоявиться. Состав кометы, в основном, состоит из льда и, при приближении к Солнцу, за ней появляется «хвост» из паров воды, длина которого может составить миллионы километров. Поэтому считается, что со временем кометы будут уменьшаться в размерах и могут вовсе исчезнуть. Астероид вокруг солнца вращается по круговой орбите. Их число достаточно велико (сотни тысяч) и при столкновении разрушаются и превращаются в метеороиды. Метеороиды – самые многочисленные объекты солнечной системы, представляют собой глыбы камня размером от 1 мм до 30 м, из –за их большого количества, они имеют большую вероятность столкновения между собой и другими объектами Солнечной системы (в том числе с планетами). В течении суток на Землю падают тысячи метеороидов, но из –за малых размеров большинства из них вследствие трения с атмосферой полностью сгорают. Поэтому в тёмное время суток падение и горение метеоров можно увидеть визуально. Если упавший метеор имеет достаточно большой размер, то его остаток на Землю остается в виде чёрного камня. Упавший метеороид называется метеоритом. Обычно на краеведческих музеях найденных метеоритов выставляют на показ. Катастрофическое падение метеора произошло более 100 лет назад (в 1908 г.) в Восточной Сибири и это явление получило известность под названием «Тунгусского метеорита». Менее катастрофическое падение метеорита произошло в начале 2013 г. под Челябинском (Россия). От таких столкновений не застрахованы все объекты Солнечной системы, в том числе и наша Земля. Поэтому перед учёным стоит вопрос о путях решения этой проблемы уже в ближайшее время. Строение планет является слоистым, и каждый слой отличается от другого, своими физико-химическими свойствами. Планеты земного типа, в основном состоять из твердых пород и, за исключением Меркурия, имеют газовую оболочку – атмосферу. Планета Земля также имеет водную оболочку – гидросферу, состоящую из океанов, морей, озер, рек и грунтовых вод. Радиус Земли ~ 6400 км, ее масса ~ 6*1024 кг и её средняя плотность равна 5,5 г/см3 . Наука, изучающая строение и эволюцию Земли называется геология. Согласно современным геологическим данным твердая Земля, в основном, состоит из трех слоев – ядра, мантии и земной кори. Ядро Земли состоит, в основном, из железа и, хотя его температура высокая (2000 – 5000 оС), оно находится в твердом состоянии из – за очень больших значений давления. Нижняя, близкая к ядру, оболочка мантии Земли из – за близости к ядру находится в расплавленном состоянии. Однако верхняя часть мантии является твердой и вместе с земной корой образуют верхнюю твердую оболочку – литосферу. Интересно, что литосфера Земли не является целой или монолитом и состоит из так называемых литосферных плит. Литосферные плиты находятся в постоянном движении и поэтому вдоль линии разлома между блоками образуются деформационные напряжения, которые приводят к землетрясениям. Если на линии разлома образуется щель, то расплавленное вещество мантии (лава) с большой скоростью выбрасывается на поверхность Земли – происходит извержение вулкана. Один из литосферных разломов начинается из Средиземного моря, проходит через Турцию, Иран, Таджикистан, Афганистан, Китай и доходит до японских островов. Поэтому в регионах вдоль этого разлома наблюдается частые землетрясения и извержения вулканов. Рис. 29. Структурное строение Земли В результате движения литосферных плит ландшафт поверхности Земли со временем изменяет свой вид: в некоторых местах земля поднимается и появляются возвышенности и, наоборот, в других местах она опускается с образованием низменностей. Расчеты показывают что острова на которых расположена Дания постепенно погружается в море. Южные и Северные берега Байкальского озера также медленно отдаляются друг от друга. Если этот процесс будет продолжатся, то вполне вероятно, что через миллионов лет Евразийский континент разделится на две части и между ними может появится новый океан. Примерно, таким образом, миллионы лет назад (135 млн. лет Рис. 30. Смена времен года назад) Африканский и Южно – Американский континенты разошлись и появился Атлантический океан. Геология 20 в. обладает достоверными данными о строении и эволюции нашей планеты. Согласно этим данным твердая Земля состоит из трех видов горных пород – осадочных, магматических и метаморфозных. Осадочные породы образовались из веществ на дне водоёмов. Магматические породы появились в результате извержения вулканов, а метаморфозные породы в результате вторичного плавления и остывания осадочных и магматических пород. В современной геологии отличают 3 начальных этапа (около 4 млрд. лет) и 3 жизненных этапа (около 600 млн. лет) (фанерозой) в эволюции Земли. Первый начальный этап является периодом становления нашей планеты и охватывает временной интервал от 4,5 до 3,9 млрд. лет до нашего времени. В конце этого периода появляется земная кора и простейшие живые организмы. Второй начальный этап (от 3,8 до 2 млрд. лет назад) связан с образованием современного вида Земли и началом процесса фотосинтеза, в результате которого меняется первоначальный состав атмосферы с возникновением свободного кислорода. В третьем начальном этапе (2 – 0,57 млрд. лет назад) появляются земные континенты, в атмосфере накапливается достаточное количество кислорода. Этот этап можно назвать, периодом становления современной биосферы Земли. Солнце Земля Полутень Луна Тень Рис. 31. Солнечное затмение Солнце Рис. 32. Лунное затмение Земля Тень Полутень Луна На протяжении трех жизненных этапов, которые, соответственно, называются палеозой, мезозой и кайнозой, на Земле произошла биологическая эволюция, которая продолжается до настоящего времени. Длительность этих этапов оценивается, соответственно, в 340 млн. лет, 160 млн. лет и последние 70 млн. лет. Подземные кладовые угля, нефти и газа образовались в палеозое. В мезозое появляется крупные травоядные и хищные животные – динозавры, которые в начале кайнозоя (примерно 65 млн. лет назад) исчезли. Современный растительный и животный мир появляется в кайнозое и на конечном периоде этого этапа (в течении нескольких миллионов лет) произошли наши далекие разумные предки. Этот конкретный период получил название антропогенеза и рассматривается в следующей седьмой теме данного курса. 3. Методологические установки астрономии 20 века Так как явления и процессы, протекающие в космосе и сами космические тела является физическими явлениями и объектами, то становление методологических установок астрономической науки и смена этих установок непосредственно связаны с изменениями в физической науке. Поэтому, очевидно, что разработке методологических установок классической астрономии способствовали методологические установки классической физики. Методологические установки классической астрономии сложились в период с 18 в. до середины 20 в. и включает следующие положения: 1. Реальные астрономические объекты (Вселенная, космические объекты и их системы) существуют независимы от человека, его разума и познаваемы; 2. Вселенная имеет свою историю, т.е. её нынешнее состояние является результатом эволюционных процессов; 3. Экспериментальной основой астрономии является наблюдение; 4. Вселенная является целостной и единственной, бесконечна во времени, бесконечна и безгранична в пространстве; 5. Вселенная однородна и изотропна (т.е. все точки и все направления равносильны) и стационарна (не зависит от времени); 6. Теоретической основой астрономии является классическая механика; 7. Структура и природа познавательной деятельности в астрономии неизменна и вечна. Физика 20 века, которая произвела революцию в познании и исследовании объективно существующей Вселенной, имела большое влияние на методологические основания астрономии. Как результат этих изменений во второй половине 20 века методологические установки классической астрономии также были подвергнуты пересмотру. В результате, основные методологические установки классической астрономии, за исключением первых трех, были заменены совершенно новыми положениями. Например, положение о том, что Вселенная является целостной и единственной (см. пункт 4) была подвергнута сомнению. В настоящее время принято, что она состоит из трех качественно различных уровней – микромира, макромира и мегамира. В современной астрономии (вопреки пункту 5) принята нестационарность Вселенной, т.е. она постоянно изменяется и развивается во времени. Теоретическую основу современной астрономии (см. пункт 6) составляют кроме классической механики ещё квантовая механика и релятивистская физика. И, наконец структура и природа познавательной деятельности (см. пункт 7) в современной астрономии не являются неизменной и вечной, а со временем перетерпивает изменения. Кстати, научные революции, в том числе и в астрономии, происходят именно из-за этих изменений в познавательной деятельности человека. Таким образом, в астрономии 20 в. произошли такие радикальные изменения, в результате которых её теоретические основы и методологические принципы получили совершенно новые толкования. Поэтому не зря вторую половину 20 в. называют революционным периодом развития современной астрономии. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа. 1. Расскажите об открытиях в современной космологии 2. Расскажите о пользы открытий в современной космологии для формирования и развития личности 3. Напишите о космогонии звезд 4. Напишите о космогонии планет 5. Напишите о проблемах жизни и разума во Вселенной 6. Напишите о внеземных цивилизациях 7. Напишите о Солнечной системе 8. Напишите о возникновении и развития Солнечной системы 9. Напишите о геологическом строении Земли 10. Напишите о методологических установках современной астрономии В) Тестовые вопросы 1. Кто предложил геоцентрическую систему Мира? а) К. Птолемей б) Н. Коперник в) Ч. Дарвин г) Ж. Б. Ламарк 2. Кто предложил гелиоцентрическую систему Мира? а) К. Птолемей б) Н. Коперник в) Ч. Дарвин г) Ж. Б. Ламарк 3. Мир, размеры которого чрезвычайно велики является … А) микромир Б) макромир В) мегамир 4. Из какого вещества в основном состоит атмосфера Земли? А) кислород Б) водород В) азот Г) углерод 5. Чему равняется 1 световой год в километрах? А) 300 тысяч км Б)150 миллион км В) порядка 10 триллион км Г) порядка 40 триллион км 6. Какое расстояние пробегает световая волна за 1 секунду? А) 300 тысяч км Б)150 миллион км В) порядка 10 триллион км Г) порядка 40 триллион км 7. Чему равняется расстояние между Солнцем и Землей? А) 300 тысяч км Б)150 миллион км В) порядка 10 триллион км Г) порядка 40 триллион км 8. Чему равняется расстояние до ближайшей звезды (ά Центавра)? А) 300 тысяч км Б)150 миллион км В) порядка 10 триллион км Г) порядка 40 триллион км 9. Какой планетой по порядку является Земля в Солнечной системе? А) вторым Б) третьим В) четвертым Г) пятым 10. Сколько спутников имеет планета Юпитер? А) 1 спутник Б) 2 спутника В) много спутников Г) не имеет спутников Тема 7. Современная биологическая картина Мира 1. Пути развития современной биологии и её основные принципы. 2. Революция в молекулярной биологии второй половины 20 в. 3. Живая природа, её отличительные свойства и уровни организации. 4. Возникновении жизни на Земле. Концепция происхождения человека, социальных отношений, разума и языка. 1. Пути развития современной биологии и её основные принципы Во все времена одной из важнейших, интереснейших, спорных и потому сложнейших задач естествознания была и есть проблема происхождения жизни на нашей планете. Биология, как наука о жизни и живой природы появилась в глубокой древности и исторически сложилась и развивалась как описательная наука различных форм и видов растительного и животного мира. Поэтому, в биологии заметное место занимает методы анализа и систематизации многочисленных экспериментальных данных о живой природе. Первые, достаточно полные, классификации мира животных и растений принадлежать перу биологов 18 в. Карла Линнея и Жоржа Бюффона, которые однако, имели искусственный характер, т.к. не учитывали факторы происхождения и развития живых организмов. Тем не менее эти классификации способствовали дальнейшему анализу причин и факторов происхождения и развития живых систем. На основе именно этих исследований стало возможным изучение живых структур сначала на клеточном и затем на молекулярном уровнях. Кроме того, критический анализ работ Линнея и Бюффона привели учёных к переходу от искусственной к естественной классификации мира живых организмов. Одним из первых такие попытки предпринял великий французский биолог Жан Батист Ламарк. Он изучил огромный теоретический и эмпирический материал, который был накоплен в биологии начала 19 в. и в своей теории определил роль среды обитания в развитии живых организмов. Если до Ламарка считалось, что окружающая среда является вредным, или, во всяком случае, нейтральным фактором для живого организма, то благодаря Ламарку эту среду стали рассматривать главным условием эволюции живых организмов. С понятием эволюции мы уже встречались в предыдущих темах (космологическая эволюция Вселенной, геологическая эволюция и т.д.). В рассмотренных случаях под эволюцией понималось постепенные, продолжительные процессы и медленные изменения, которые, однако, в конце концов приводили к кардинальным качественным изменениям состоянии системы. В учение Ламарка понятие «эволюция» имеет именно такой смысл. Согласно этому учению эволюция живых организмов происходить под направляющим действием окружающей среды. Именно посредством действия этой среды организмы приобретают признаки, благоприятствующие жизни, и в последующем, передают эти свойства потомству. Таким образом, согласно Ламарку, все полезные свойства и признаки, приобретенные организмом, являются наследственными, передаются от поколения поколению и определяют последующее направление эволюции. Это учение в истории науки называется ламаркизмом. Согласно этой теории виды живых организмов произошли от своих древних предков путем адаптации к изменившимся условиям окружающей среды. Например, жираф для того, чтобы достать листья деревьев вытягивал свою шею и длинная шея затем передавалась по наследству. Или шеи водных птиц стали длинными в результате многократных вытягиваний для доставания пищи со дна водоёмов. Таким образом, по Ламарку наследственная изменчивость является результатом многократных повторений одних и тех же упражнений, что является надуманным объяснением. Кроме того, ламаркизм не учитывает диалектическое взаимодействие живых организмов и окружающей среды. Классическое решение этой проблемы принадлежит перу выдающегося английского естествоиспытателя 19 в. Чарлза Дарвина. Он подробно и обстоятельно изучил достижения предыдущих учёных и Ламарка в том числе, скрупулезно анализировал их результаты, участвовал в кругосветном научном путешествии и близко познакомился с флорой и фауной различных частей нашей планеты. В результате этих исследований Дарвин открыл три основных закона эволюции живой природы, которые называются принципами классической теории эволюции в биологии. Первый принцип утверждает, что изменчивость является неотъемлемым свойством каждого живого существа. То есть, каждый живой организм всегда и постоянно меняет свои признаки. Вследствие этого в природе нельзя встречать два абсолютно одинаковых организма. Чем глубже изучаем природу, тем более можно удостовериться, что принцип изменчивости носит всеобщий и универсальный характер. Например, с первого взгляда кажется, что все деревья яблоневого сада одинаковые. Однако, более тщательный осмотр показывает, что кора ствола одного из деревьев заметно толще, а корневая система другого мощнее остальных. При нормальных условиях эти отличия не имеет существенного влияния на их развитие. Однако, при неблагоприятных условиях (суровая зима, засуха и т.д.) каждый из указанных отличительных признаков превращаются в те решающее свойства, которые определяют жизнь или смерть организма. Дарвин, в отличие от Ламарка, отличает два вида изменчивости. Индивидуальной или неопределенной изменчивостью называется именно та изменчивость, которая закрепляется в организме и передается по наследству. В групповую или определенную изменчивость подвергаются группа организмов, которая находиться под действием определенных факторов внешней среды. Согласно современным представлениям групповая изменчивость не передается по наследству. В настоящее время индивидуальная и групповая изменчивость называется соответственно мутацией и модификацией. Второй принцип теории Дарвина определяет внутреннее противоречие в развитии живой природы. Оно состоит в том, что с одной стороны, все виды организмов стремятся размножаться в геометрической прогрессии, но, с другой стороны, только малая часть потомства остается живой и достигает зрелого возраста. В самом деле, деревья ежегодно дают сотни и тысячи плодов и семечек, рыба же при нересте метет миллионы икринок, однако только их малая часть превращаются в дерево и крупную рыбу. Это внутреннее противоречие определяет отношения между организмами и называется борьбой за существование. Отличают внутривидовую и межвидовую формы борьбы за существование. Третий принцип получивший название принципа естественного отбора играет фундаментальную роль в эволюционной теории Дарвина. Этот принцип устанавливает, что почему из многочисленного потенциального потомства живых организмов остаются живыми и достигают зрелого возраста только малая их часть: в природе действует специальный механизм отбора, который выборочно уничтожает организмы, не приспособствовавшие условиям окружающей среды. Как отмечал сам Дарвин эти результаты являются следствием всеобщего закона, обеспечивающий развитие всех живых организмов. Это – закон размножения, изменчивости, выживания наиболее приспособленных и уничтожения наиболее слабых организмов. Отличительная особенность естественного отбора заключается в том, что процесс изменения признаков, с одной стороны, является медленным и постепенным, но, с другой стороны, эти изменения постепенно скапливаясь превращаются в гигантские и решающие изменения, которые в конечном итоге, приводят к появлению новых видов. Современная эволюционная теория основанная на классическом учении Дарвина, законов наследственности Менделя и новейших открытый называется синтетической теорией эволюции и составляет теоретическую основу современной биологии. 2. Революция в молекулярной биологии второй половины 20 в. Эволюционная теория Дарвина является результатом синтеза различных теоретических и экспериментальных биологических знаний. Поэтому признание и принятие этой теории происходило под непримиримой борьбой различных взглядов. Научные споры велись, в основном, вокруг содержания и объяснения принципа естественного отбора. Самое серьёзное возражение против эволюционной теории высказал английский математик и инженер Ф.Дженкин, известное как «кошмар Дженкина» и который преследовал Дарвина до конца его жизни. Свой аргумент Дженкин сформулировал следующим образом: «каким образом полезные признаки выживших при отборе организмов будут сохраняться и усиливаться в их потомствах, тогда как при их спаривании с особами имеющие другие признаки эти полезные признаки должны разбавляться в последующих поколениях, уменьшаться и в конце концов исчезнуть?». На этот вопрос Дарвин не смог найти удовлетворительный ответ, да и не мог ответить, ибо ему не были известны законы наследственности Менделя. Известно, что результаты своих исследований австрийский биолог Грегор Мендель доложил ещё 1865 г. Обществу естествоиспытателей в Брюнне (ныне Брно, Чехия). Однако слушатели не поняли исключительной важности его доклада. В 1866 г. этот доклад был напечатан в Брюннском бюллетене и разослан по списку 120 научным учреждениям. К сожалению, Дарвин этого бюллетеня не получил, а те которые получили, не догадались, что этой работе суждено было произвести настоящую революцию в науке о наследственности. Как мы увидим ниже признание Менделя как основателя современной генетики пришло лишь в 1900 г., через 15 лет после его кончины. Окончательное признание и принятие принципов теории Дарвина завершилось только в начале 20 в. после создания синтетической теории эволюции, которая объединила классическое учение Дарвина, законов наследственности Менделя и экологию. Хотя знания о наследственности были известны ещё в древности, только начиная с 18 в. учёные стали серьёзно заниматься этой проблемой. Стало ясно, что не только животные, но и растения обладают полом. В истории учения о наследственности, которое потом назвали генетикой заметную роль сыграл французский учёный – ботаник Огюстен Сажрэ. Он был первым, кто доказал дискретный характер наследственности, объявил учение о наследственности самостоятельной наукой и фактически положил начало научной генетике. Однако важнейшим достижением конца 19 в. в области генетики следует считать открытие Менделем законов наследственности. Он развил идеи Сажрэ о дискретном характере наследственности и открыл закон расщепления наследственных признаков. Согласно этому закону отдельные благоприятные мутационные признаки не только не ослабляются, но, наоборот, сохраняются и усиливаются из поколения в поколение. Эта закономерность разрешила проблему «кошмара Дженкина» и способствовала усилению позиций эволюционной теории Дарвина. К сожалению, учёные – современники Менделя не оценили важность его открытия, так как для этого не созрели необходимые научные предпосылки. Они появились только в самом конце 19 в. Начало 20 в. ознаменовалось ускоренным развитием экспериментальных исследований наследственных явлений и становлением научной генетики. В 1900 г. законы наследственности Менделя заново открыли независимо друг от друга трое учёных – голландский ботаник Хуго Де Фриз, немецкий ботаник Карл Корренс и австрийский генетик Эрих Чермак. В том же году нашлась уже упомянутая нами статья Менделя тридцати четырехлетней давности (и только в 1985 г. научная общественность официально отметила 100-летие открытия законов Менделя). 20 в. в развитии биологии важен ещё и тем, что в научных исследованиях живой природы стали широко использовать физикохимические методы. Это позволило исследовать строение клетки на молекулярном уровне. Было установлено, что клетки всех живых существ нашей планеты состоять из одних и тех же 20-ти видов аминокислот, 5-и видов оснований, 2-х видов углеводов и 1-го вида фосфатов. Кроме того, эти соединения состоять, в основном, всего из 6-ти химических элементов углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N), серы (S) и фосфора (Р) названные поэтому органогенами. Таким образом, было положено начало новому направлению биологических исследований – молекулярной биологии. В течение долгого времени при изучении синтеза органических соединений внимание учёных было приковано к исследованию участка клетки, богатого белками. Большинство учёных были уверены, что фундаментальную основу жизни составляют белки и поэтому свойства живых систем связывали со свойствами и строением белковых соединений. (одним из основоположников теории марксизма Фридрих Энгельс утверждал, что жизнь является способом существования белковых веществ и, до недавнего времени, в советской научной литературе данное определение жизни принималось как единственно верный взгляд). Однако, точные исследования показали, что ни сами белки, ни их структурные элементы с химической точки зрения не имеют никаких исключительных свойств. Последующие исследования были направлены на изучение части клетки, богатой фосфором. Стало известно, что этот участок клетки содержит химические соединения, известные как нуклеиновые кислоты. Позже были обнаружены два вида этих кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) (рис. 33). Рис. 33. Фрагмент молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) (модель). Как стало ясно потом, это открытие было важнейшим открытием в биологии второй половины 19 в., однако, только спустя почти 100 лет, учёным удалось выяснить роль нуклеиновых кислот в живом организме. С 40-ых до 80-ых годов 20 в. было установлено, что нуклеиновые кислоты играют решающую роль в процессах хранения и передачи наследственных признаков, синтеза белков и обмена веществ. В течение последних 50 лет в молекулярной биологии получены выдающиеся научные результаты, в том числе о строении ДНК, об установлении роли РНК, о проблемах биосинтеза белков, синтезе ряда ферментов, а также создание генной инженерии. Конечной целью этих открытий является разработка представлений о сущности жизни и её фундаментальных признаков – наследственности, изменчивости и обмена веществ. 3. Живая природа, её отличительные свойства и уровни организации Живая природа Земли необычайно многообразна и по клеточному строению живые организмы делятся на бесклеточные и клеточные. К бесклеточным относятся вирусы и фаги. Вирусы являются существами, стоящими между живыми организмами и неживыми. В настоящее время известно более 500 видов вируса. Клеточные существа образуют 4 группы – бактерии, растения, грибы и животные. Бактерии являются одними из древнейших форм жизни на нашей планете. Каждый из этих групп в свою очередь делятся на классы, семейства, роды, виды, популяции и особи. Возникновение такого многообразия является результатом исторического развития мира живых существ и его эволюции (таблица 3). Таблица 3 Современный растительный мир состоит из более полумиллиона видов, тогда как животный мир включает более 1,5 миллиона видов (рис. 34, 35). В настоящее время семейство грибов состоит из около 100 тысяч видов. Живой организм является сложной системой химических явлений в течение которых постоянно протекают процессы разрушения и восстановления органических молекулярных структур. Современная молекулярная биология установила, что все живые существа начиная от простейших микроорганизмов и кончая человеком имеют одинаковую структуру. То что мы называем жизнью является следствием взаимодействия двух видов молекул – Рис. 34. Классификация растений нуклеиновых кислот и белков. В единстве и во взаимосвязи эти два вида молекул и составляют основу биологической жизни. Возникновение живого организма происходить в результате синтеза белка в клетке. Синтез же белков происходить с помощью нуклеиновых кислот. Белки являются сложными макромолекулами, состоящими из химических соединений, называемых аминокислотами. Одной из загадок жизни состоит в том, что из 100 известных в природе аминокислот только 20 участвуют в образовании белков. До сих пор нет внятного ответа на вопрос «почему именно эти 20 аминокислот, а не другие?». Рис. 35. Классификация животных Другой вопрос – признаки, отличающие живой организм от неживого. Важнейшими признаками, свойственными живым существам, являются; - обмен веществ, т.е. употребление пищи, дыхание и т.д.; - рост; - подвижность, т.е. изменение места и (или) свойства во времени и в пространстве; - размножение, т.е. способность давать потомство; - приспособляемость к имеющимся и изменяющимся условиям окружающей среды; - раздражительность, т.е. реакция на внешнее воздействие. Каждый из этих элементов (признаков) в отдельности может быть свойственно и неживым. Однако этими всеми признаками обладают только живые организмы. Эти признаки в совокупности являются критерием, отличающим живого от неживого. Живые системы природы обладают своими различными надорганизменными уровнями организации. Самым первым, низшим уровнем организации является популяция – группа взаимосвязанных особей одного вида, имеющая единые генофонд и среду обитания. Согласно современным представлениям не отдельные особи, а именно популяции являются элементарными единицами эволюции. Следующим уровнем эволюции живых организмов является система различных популяций – биоценоз, состоящий из множества видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих среду обитания с одинаковым жизненным условием (например, луг, лес, берег реки, озеро и т.д. рис. 36, 37). Рис. 36. Биоценоз пруда Множество различных биоценозов и сред обитания связанные между собой обменом веществ и энергией, а также взаимосвязанное географическими, климатическими, атмосферными и т.д. условиями составляет уровень биогеоценоза живой природы. Этот уровень ещё называют экосистемой (экологической системой) рис. 38 и 39. Наконец, множество всех биогеоценозов планеты составляет биосферу - последний уровень организации живых систем. Биосфера, которая называется «жизненной оболочкой», состоит из нижней части атмосферы, верхнего слоя земной коры и всей гидросферы Земли рис. 40. Первоосновой существования биосферы является астрономическое положение нашей планеты относительно Солнца (прежде всего расстояние между Землей и Солнцем), а также угол наклона оси Земли относительно Рис. 37. Биоценоз дубравы Рис. 38. Биогеоценоз и её элементы плоскости эклиптики, или плоскости орбиты Земли (см. рис. ). Такое пространственное расположение Земли определяет климат нашей планеты. Климат, в свою очередь, устанавливает жизненные циклы всех живых существ. Солнце является основной и единственным источником энергии биосферы и управляет всеми физическими, химическими, биологическими и геологическими процессами. Именно поэтому немецкий естествоиспытатель Юлиус Майер, один из авторов закона сохранения и превращения энергии, назвал жизнь созданием солнечного луча. Рис. 39. Биогеоценоз (экосистема) а) на суше; б) в воде Рис. 40. Границы биосферы 4. Возникновении жизни на Земле. Концепция происхождения человека, социальных отношений, разума и языка. О возникновении жизни на Земле, являющийся одной из важнейших проблем естествознания, в разных периодах истории человечества были высказаны разные, часто примитивные, точки зрения. С точки зрения современной науки считается наиболее правдоподобной три версии: - а) жизнь во всех частях вселенной (и на нашей планете) была всегда; - б) простейшие формы жизни на Землю были привнесены из космоса (гипотеза панспермия); - в) биологическая жизнь свойственна только планете Земля и она возникла лишь на Земле в определенном периоде её эволюции. Естествознание 20 в. в решении задачи жизни и её возникновения на Земле сделало решающий шаг и достигло значительных результатов. В результате взаимодействия разных областей естествознания на их стыке появились новые направления исследований, в том числе биофизика, биохимия, молекулярная биология, генетика, космическая биохимия и т.д. Это позволило получить достоверные научные данные о сущности жизни. В настоящее время достоверно известно, что все живые существа (от простейших до млекопитающих) состоять из одних и тех же органических химических соединений и потому имеют единое происхождение. Кроме того, согласно принципам современной науки живые организмы возникли из неживой природы в результате эволюции и исключительно естественных процессов. Жизнь является одним из свойств материи и возникла в определенном этапе истории Земли как результат продолжительных эволюционных процессов, протекающих миллионы и миллиарды лет. С этой точки зрения из трех упомянутых подходов о возникновении жизни первая версия, согласно которой жизнь была всегда во Вселенной (в т.ч. и на Земле), не имеет научную основу. Однако, две другие версии о том, что «жизнь привнесена из космоса на Землю» и «жизнь является результатом исключительно земных процессов» не противоречат современным научным представлениям. В пользу второй версии достаточно говорить о том, что в составе метеоритов, падающих на Землю, обнаружены аминокислоты, основы, углеводы и фосфаты, из которых состоять земные живые организмы. Эту идею поддерживали известные учёные 19 и 20 в.в. английский физик У.Томсон (лорд Кельвин), немецкий физик и математик Г. Гельмголц, шведский физик и химик С.Аррениус (автор гипотезы панспермия), великий русский естествоиспытатель В.И.Вернадский и др. Научные споры о преимуществе одной из двух последних версий продолжаются и по ныне, однако большинство учёных склонны считать, что жизнь возникла именно на нашей планете. Сторонниками этой идеи выступали виднейшие учёные 20 в. русский биохимик А.Н.Опарин и английский физик и биохимик Дж.Бернал. Хронология эволюции мира живых организмов приведена в таблице 4. Таблица 4. Эволюция живых организмов Эры Кайнозой Кайнозой Кайнозой Кайнозой Мезозой Мезозой Основные события Конец ледникового периода, возникновение цивилизаций Вымирание многих крупных млекопитающих, появление современного человека Появление первых человекообразных обезьян Появление первых современных обезьян Появление сумчатых млекопитающих и первых птиц Первые Начало, лет назад 11 тысяч Продолжительность, лет 2,5 миллион 2,5 миллион 34 миллион 31,5 миллион 60 миллион 26 миллион 200 миллион 140 миллион 250 50 миллион динозавры и яйцекладущие млекопитающие Палеозой Вымерло около 95% всех существовавших видов Палеозой Появление деревьев и пресмыкающихся Палеозой Появление земноводных и споровых растений Палеозой Выход жизни на сушу Неопротерозой Первые многоклеточные животные Неопротерозой Начало распада суперконтинента Мезопротерозой Появление суперконтинент (суша) и суперокеан Мезопротерозой Появление первых водорослей Протерозой Первые многоклеточные организмы Палеопротерозой Проявление процесса фотосинтеза в клетках Архей Появление примитивных одноклеточных организмов миллион 300 миллион 50 миллион 360 миллион 60 миллион 420 миллион 60 миллион 450 миллион 625 миллион 30 миллион 75 миллион 1 0,5 миллиард миллиард 1,2 0,2 миллиард миллиард 1,4 0,2 миллиард миллиард 1,7 0,3 миллиард миллиард 2,5 0,8 миллиард миллиард 3,7 1,2 миллиард миллиард Катархей Формирование Земли, океаны 4,5 – 4,6 0,9 – 0,7 миллиард миллиард Таким образом, биологическая жизнь на Земле считается результатом продолжительных земных процессов. Если возраст Земли приблизительно равно 4,5 – 4,7 миллиардов лет, то жизнь имеет историю, равную примерно 3,8 миллиардов лет. В пользу этого говорит то, что в земных породах периода докембрий замечены следы деятельности живых организмов. Процесс возникновения жизни можно разделить на несколько периодов: а) период появления простейших органических соединений из неорганических веществ. На этом этапе из легких химических элементов водорода, углерода, азота и кислорода образовались такие химические соединения как вода, метан, углекислый газ, аммиак и молекулы водорода, кислорода, углерода и азота. Из образовавшихся газов возникла первичная атмосфера Земли, имеющая восстановительный характер. Далее в результате понижения температуры поверхности Земли, водяные пары атмосферы превращаясь в жидкость образовали моря и океаны. В результате на поверхности Земли в большом количестве появились простые органические соединения. б) период образования сложных органических соединений. Этот период характеризуется тем, что под действием высокой температуры, электрического разряда и действия ультрафиолетового излучения Солнца из простых органических соединений образуются более сложные соединения, в том числе углеводы, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Возможность таких химических процессов многократно доказано путем проведения лабораторных испытаний. Эти опыты показали, что белки образуются не только в внутриклеточных процессах, но и в лабораторных условиях. Кроме того, на этом этапе, с увеличением количества кислорода, атмосфера Земли начала терять своё восстановительное свойство и приобретать окислительный характер. В результате окисления органических веществ стали образовываться более сложные органические соединения составляющие основу живых организмов. На последних этапах этого периода появляются органические соединения подобные протоклеткам (первичным клеткам) проявляющие некоторые признаки жизни. в) период возникновения простейших форм жизни. Считается важнейшим и труднейшим с точки зрения объяснения периодом. На этом этапе макромолекулы сложных органических соединений приобретают свойства матричного синтеза белков (внутриклеточного), т.е. проявляют свойство саморазмножения – наиболее важного признака живых организмов. К сожалению, до сих пор механизм этого перехода не вполне ясен. Предложены ряд предположений относительно этого перехода, однако все они страдают неполнотой. В настоящее время, на основе принципов теории самоорганизации (синергетики), предложена гипотеза, согласно которой открытые, нелинейные и диссипативные системы проявляют свойства самоорганизации. С этой точки зрения живые организмы являются синергетическими объектами (подробнее см. тему 8). Переход к матричному синтезу белков следует считать скачкообразным качественным процессом эволюции материи. Этот процесс возможен только при определенных условиях внешней среды и последующая деятельность возникших живых систем постепенно изменяют эти условия. Вот почему в настоящее время возникновение живого от неживых не возможно и живые существа появляются на свет исключительно путем размножения. После возникновения жизнь развивалась все более ускоренными темпами. Если период возникновения аэробных (кислородпоглощающих) клеток из протоклетки продолжался примерно два миллиарда лет, то появление растений и животных заняло всего 500 миллионов лет. Если птицы и млекопитающие появились около 100 миллионов лет назад, то приматы (обезьяноподобные существа) появились всего 10 – 12 миллионов лет назад, а становление человека занимает всего лишь последние 3 – 5 миллионов лет. Другая, не менее важная проблема современного естествознания, наряду с проблемами происхождения Вселенной, космических объектов и биологической жизни, является происхождение и становление человека и человеческого общества. Несмотря на то, что этот вопрос волновал учёных всех времен, только в 18 в. он был поставлен на научную основу. Например, известный нам шведский биолог К.Линней включил человека в мир животных и при классификации расположил рядом с человекоподобными обезьянами. Боле того, подчеркивая родство человека с обезьяной, Линней назвал орангутанга «человеком лесным» (Homo Silvetris). В первой половине 19 в. археологи, палеонтологи и этнографы (этнография – учение о нравах и обычаях людей) собирая достаточные эмпирические данные создали предпосылки для зарождения научной теории происхождения человека и человеческого общества (антропосоциогенез). В 1871 г. вышел из печати труд Ч.Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», где на основе многочисленных фактических данных раскрыл сущность двух положений. Вопервых, он доказал, что человек произошел от животного мира и, во-вторых, современные человекообразные обезьяны являются боковой ветвью эволюции человека, а сам человек произошел от давно вымершей другой ветви. После публикации труда Дарвина материалистическое представление о животном происхождении человека стало фактической основой теории антропосоциогенеза. Так как человек является не только биологическое, но и социальное существо, то его происхождение и становление нельзя рассматривать как результат действия только биологических факторов. На определенном этапе биологической эволюции человеческого рода на него имеют влияние и социальные факторы. Какие эти социальные факторы? Ответ на этот вопрос дал один из основоположников марксизма Ф.Энгельс в своём известном труде «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека». Согласно его мнению, труд является не только средством преобразования природы и обеспечения потребности человека, но и средством преобразования самого человека. Именно труд является фактором, отделившим человека от его обезьяноподобного предка. Это мнение и сегодня не потеряло своего значения и современные археологи и палеонтологи признают решающую роль трудовой деятельности в процессе происхождения человека и общества. Согласно современной научной точке зрения необходимо точно установить разницу между биологической сущностью человека и его родовой социальной сущностью. Эту задачу изучает социобиология. Согласно этой науке человек, как объект естественно - научного исследования, должен изучаться в трех направлениях. Первое направление – антропология, которая изучает когда, каким образом и от кого произошёл человек и чем он отличается от животного. Второе направление – социобиология, определяющая генетические основы человеческой деятельности и соотношение между физиологией и психикой человека. Третье направление – изучение мозга и сознания человека естественно -научным путем. На основе этих исследований появляется возможность определения сходства и отличия между человеком и животным, а также времени появления человека. Сходство человека и животного прежде всего следует из вещественного состава, строения и поведения организма. Кроме того, человек состоит из тех же аминокислот, белков и нуклеиновых кислот, имеющихся у животных. И, наконец, у человека есть органы, которые у животных играют определенную роль, но для человека они не нужны (например, аппендикс). Отличие человека от животных, прежде всего в его разуме. Животные, например, обезьяны обладают в некоторой степени мышлением, понимают смысл слов, они, как бы, общаются между собой. Однако «мышление» животных является конкретным, тогда как мышление человека может быть не только конкретным, но так же абстрактным, отвлеченным, логичным и понятийным. Животное, так же как человек, может выполнять различные работы, однако только человек способен до начала работы составить план и пути её выполнения. Животные тоже испытывают чувства радости, горя, тоски, любопытства и т.д., однако только человек делает все это сознательно и с пониманием. Другое отличие – это речь, которой обладает только человек. Животные также общаются между собой с помощью различных сигналов, однако только человек общаются между собой с помощью слов. Следующее отличие человека от животного – это его способность к труду. Конечно, и животные что-то делают. Обезьяны, например, используют палку для доставания плодов. Однако, только человек способен изготовлять орудия труда и целенаправленно его использовать. Таким образом, основными отличающими признаками человека от животных являются понятийное мышление, речь и труд. Современное естествознание о проблеме происхождения человека и человеческого общества исходит из материалистического представления о том, что человек произошёл от высших представителей животного мира, от человекоподобных обезьян. Человек и обезьяна имеют столько подобных признаков, что их можно отнести к одному семейству млекопитающих – приматам. Более того, 4 вида современных антропоидов – шимпанзе, горилла, орангутанг и гиббон, согласно молекулярной биологии и по составу белков и нуклеиновых кислот, более близки к человеку, чем к другим видам обезьян. В течение долгого периода времени не было достоверных данных о промежуточном виде между человекоподобными обезьянами и далекими предками человека. Только в 20 в. палеонтологические раскопки позволили обнаружить промежуточные виды и получить достоверные материалы. Антропология, изучающая происхождение человека, его эволюцию и строение стала развиваться быстрыми темпами, в особенности после создания эволюционной теории Дарвина. Современник и последователь Дарвина немецкий биолог Эрнст Геккель предложил гипотезу, согласно которой древнейшим предком человека является не обезьяна, а дриопитеки (древесные обезьяны), которые проживали примерно 70 миллионов лет назад. Согласно этой гипотезе из одной ветви дриопитеков произошли шимпанзе и горилла, а из другой ветви человек. Дарвин поддерживал эту идею. Другое предположение Геккеля состояло в том, что в далекой древности между ветвями человека и обезьяны существовало промежуточное существо – питекантроп (обезьяночеловек). В 1891 г. на острове Ява (Индонезия) были найдены останки питекантропа, который проживал примерно 500 тысяч лет назад, ростом в 150 см и объёмом головного мозга в 900 куб см. Питекантропы были прямоходящими и использовали каменные орудия труда, в том числе ножи и топоры. В антропологии эти существа названы Homo erectus (человек прямоходящий). В 1924 г. на севере Африки найдены останки древнего предка человека, который, несмотря на относительно малый объем головного мозга ( 670 куб. см) пользовался простейшими каменными орудиями труда. Их назвали австралопитеками (южными обезьянами) или Homo habilis (человек умелый) и они проживали примерно 5 миллионов лет назад. В 1856 г. в долине Неандерталь в Германии были обнаружены останки существа, проживавшие 150 – 40 тыс. лет назад. Их назвали неандертальцами, объем головного мозга которых сравним с человеческим (1600 куб. см), проживали в пещерах и охотились на мамонтов. Неандертальцы были первыми предками человека, которые хоронили своих сородичей. В 1868 г. в пещере Кро – Маньон во Франции были найдены останки существа, проживавщий примерно 40 – 15 тыс. лет назад и по объёму черепа и других признаков строения тела считается самым близким современному человеку. Их назвали кроманьонцами, а также Homo sapiens (человек разумный). Таким образом, согласно тем научным достоверным данным, которыми сегодня располагает антропология, следующим образом можно представить процесс эволюции происхождения человека (см. таблицу 5 и рис. 41). Таблица 5. Эволюция человека № Приматы Период жизни 1. Обезьяна лесная (дриопитек) 70 – 20 млн. лет назад 2. Человек умелый (австралопитек) 5 млн. лет назад 3. Человек прямоходящий 500 тысяч лет назад (питекантроп) 4. Человек неандерталец 150 – 40 тысяч лет назад 5. Человек разумный (кроманьонец) 40 – 15 тысяч лет назад В дальнейшем после кроманьонца, человек с точки зрения генетики не изменялся, тогда, как его социальная эволюция продолжается до настоящего времени. Рис. 41. Эволюция человека Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа. 5. Расскажите об основных направлениях развития современной биологии. 6. Раскройте смысл принципов эволюции теории Дарвина. 7. Почему развитие молекулярной биологии 20 в. называют революционным? 8. Расскажите о количественном составе многообразии живой природы. 9. Расскажите о надорганизменных уровнях организации живой природы. 10. Что вы знаете о концепциях возникновения жизни на Земле? 11. Расскажите об основных периодах возникновения жизни на Земле? 12. Что вы можете сказать о современной концепции происхождения человека? 13. Говорят, что «труд создал человека». Что вы об этом знаете? Б) Тестовые вопросы 1. Какие признаки отличают живого от неживых? а) обмен веществ, подвижность, приспособляемость, размножение, рост, раздражительность. б) обмен веществ, размножение, дыхание, рост, подвижность, раздражительность. в) подвижность, размножение, обмен веществ, дыхание, приспособляемость, рост, раздражительность. г) приспособляемость, обмен веществ, размножение, дыхание, рост, раздражительность. 2. Назовите уровни организации живых систем: а) биоценоз, биогеоценоз, биосистема, экосистема б) биосфера, биогеоценоз, экосистема, популяция в) популяция, биосфера, биогеоценоз, биоценоз г) биоценоз, популяция, экосистема, биосистема 3. Что включает биосфера Земли? а) атмосфера, гидросфера, ядро Земли б) атмосфера, гидросфера, земная кора в) земная кора, мантия Земли, литосфера г) земная кора, атмосфера, мантия 4.Кого назвали Homo erectus? а) человек прямоходящий б) человек умелый в) человек разумный г) человек лесной 5.Кого назвали Homo sapiens? а) человек прямоходящий б) человек умелый в) человек разумный г) человек лесной 6.Кого назвали Homo habilis? а) человек прямоходящий б) человек умелый в) человек разумный г) человек лесной 7.Кого назвали Homo silvetris? а) человек прямоходящий б) человек умелый в) человек разумный г) человек лесной 8. Сколько видов включает растительный мир? а) 500 000 в) 1 500 000 б) 1 000 000 г) 2 000 000 9. Сколько видов включает животный мир? а) 500 000 б) 1 000 000 в) 1 500 000 г) 2 000 000 Тема 8. Естествознание 21 в. и будущее цивилизации План занятия: 5. Особенности естествознания 21 в. 6. Концепция самоорганизации в науке. 7. Естествознание и будущее цивилизации. 8. Современная биотехнология и будущее человечества. a. Особенности естествознания 21 в. Если проследить 2500-летнюю историю естествознания, то легко заметить, что его бурное развитие приходиться в основном на последние три столетия. За этот период была пройдена путь от натурфилософских представлений древней Греции до квантоворелятивистской картины микро-, макро- и мегамира в физике, от геоцентрических представлений до современной астрономической картины Мира в изучении космоса и от описательной биологии до молекулярной биологии и генетики в изучении живой природы. Сегодня на уровне микромира изучаются процессы, наблюдаемые в промежутках времени порядка 10-23 сек. (одна сто миллиард триллионная доля секунды) и на расстояниях 10-17 м (одна сто тысяча триллионная доля метра). А на уровне мегамира ученые исследуют процессы протекающие в промежутках времени равные 1018 сек. (миллион триллион секунда ≈ 13 млрд. лет) и на расстояниях 1026 м (сто триллион триллион метров). С помощью современных астрономических приборов зарегистрированы космические объекты свет от которых шел к нам 12 млрд лет. Если вспомнить, что Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, то свет от этих объектов вышел за 7 млрд. лет до образования Земли. И, наконец, реликтовое излучение, которое является следствием «большого взрыва», позволяет получить необходимые данные о первых секундах и минутах возникновения Вселенной. Таких примеров можно привести ещё и ещё, однако общий вывод заключается в том, что эти научные достижения – рано или поздно будут внедрены в производство, т.е. роль науки в человеческом обществе имеет тенденцию возрастания. Другими словами наука сегодня превратилась в непосредственную производительную силу. Результатом этого является научно – технический прогресс, который на основе новых информационных технологий, современных средств вычислительной техники, генной инженерии и биотехнологии кардинально изменили нормы и уклад человеческой жизни. В прошлом считалось, что развитие науки происходит путем накопления новых знаний. Однако, на самом деле развитие науки происходит не только и не столько путем накопления данных. Коренные изменения в науке, в основном, связаны с научными революциями в процессе которых прежние идеи, принципы и методы исследований критически анализируются и реформируются. Переход к новым идеям, принципам и методам исследований осуществляется в процессе дифференциации и интеграции научных знаний. Дифференциация знаний является одним из необходимых этапов развития науки и заключается в том, что для всестороннего изучения объекта исследования появляются отдельные, самостоятельные науки с собственными предметами и методами исследования. Например, в древней Греции не существовали отдельные науки и все известные знания рассматривались в рамках единой философии. Отдельные науки впервые появились лишь в эпохе Возрождения (15 – 16 в.в.), когда возникло экспериментальное естествознание. Сначала появилась механика, позднее другие отрасли физики, затем сформировались химия, биология и другие фундаментальные науки. В конце 20 в. и в начале 21 в. естествознание вступило в новый этап своего развития, когда на передний план выдвигаются системные и междисциплинарные научные исследования. Объектами современных междисциплинарных исследований являются системами, обладающими открытым, нелинейным и неравновесным характером. Одним из этих новых направлений является синергетика, изучающая самоорганизующие системы и процессы самоорганизации. Дифференциация науки приводит к тому, что знания о природе становятся более точными и глубокими. Однако, одновременно ослабляется связь между отдельными науками и взаимопонимание между учёными. Таким образом, в результате дифференциации знаний единая наука превращается в совокупность ограниченных и независимых отраслей исследования. Вследствие этого учёные теряются в определении своего вклада и сущности своей работы в изучении единого, целостного и объективного мира. Выход из этого кажущегося тупика дает само развитие науки. Новая точка зрения, выражающая единственность и целостность природы, является интеграция научных знаний. Согласно ей понятия, теории и методы исследования в одной области используются в других областях науки. Например, в результате использования физических методов исследования в биологии родилась биофизика. Точно так же на стыке разных наук появились новые, в т.ч. биохимия, геофизика, геохимия, астрофизика и т.д. b. Концепция самоорганизации в науке Как известно, объектами изучения классического естествознания (например термодинамика 19 в. и первой половины 20 в.) являются простые, закрытие и обратимые во времени системы. Однако, абсолютное большинство реальных систем являются не такими, а открытыми и сложными. Система называется открытой, если она обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Из открытых систем наибольший интерес представляют те, которые обладают самоорганизующим характером. Системы живой природы и относящиеся к человеческому обществу являются таковыми. Исследования второй половины 20 в. показали, что и в неживой природе встречаются самоорганизующие системы. Исследования в области математического моделирования открытых систем привели к появлению нового интегративного научного направления – синергетике. Синергетика (с греческого, синергия – совместное действие) является учением по исследованию принципов, строения, возникновения, развития и самоусложнении открытых, нелинейных и неравновесных систем. Мир самоорганизующих систем является более сложной, чем мир закрытых систем. Поэтому его изучение и создание моделей таких систем также являются более сложными. Обычно уравнения, описывающие такие системы, являются нелинейными и их решения требуют использования современных аналитических методов с применением электронных вычислительных машин. Главная задача решаемая синергетикой является установление закономерностей, которые управляют созданием структур и действием самоорганизующих систем. Для выяснения этой задачи рассмотрим важнейшие характеристики таких систем. Как было отмечено, главной характеристикой самоорганизующих систем является их открытость. Вспомним, что объекты, изучаемые классической термодинамикой, являются закрытыми, т.е. не обмениваются с окружающей их средой энергией, веществом и информацией. Основным понятием термодинамики является энтропия. Энтропия S является функцией состояния системы и её изменение для закрытых систем, находящихся при температуре Т в тепловом равновесии, определяется формулой S q . T где Δq – количество переданной системе теплоты или полученной из нее. Законы, или основы термодинамики, управляющие тепловыми процессами, сформулированы именно для закрытых систем. Согласно первой основе термодинамики для закрытых систем энергия сохраняется, она не исчезает, не появляется из ничего и только переходит из одного вида к другому. Другими словами – это закон сохранения и превращения энергии. Вторая основа термодинамики устанавливает, что в закрытых системах энтропия не уменьшается, а наоборот возрастает до своего максимального значения. Максимум энтропии соответствует состоянию теплового равновесия системы. С учётом сказанного вторую основу термодинамики называют законом возрастания энтропии. Таким образом, если вывести закрытую систему из состояния равновесия, то она, согласно закону возрастания энтропии, рано или поздно приходит к равновесному состоянию и все процессы прекратятся, т.е. в системе устанавливается состояние полного беспорядка или хаоса. Если применить этот закон к единой и целостной Вселенной, можно прийти к выводу, что со временем запас энергии Вселенной иссякнет, энтропия достигает своего максимального значения и во Вселенной устанавливается тепловое равновесие. Этот вывод известен в науке как «тепловая смерть Вселенной». Между тем, эволюционная теория Дарвина однозначно указывает на то, что эволюционные процессы приводят не к снижению уровня организации, а наоборот, к усложнению и повышению уровня организации материи. Таким образом, между классической термодинамикой и теорией Дарвина возникает противоречие и причина этого в том, что классическая термодинамика не объясняет закономерностей открытых систем. Такая возможность появляется с созданием неравновесной термодинамики объектами изучения которой являются открытые системы. Изучение явлений природы в рамках представлений синергетики показало, что самоорганизующие системы не являются присущими только живой природе. Они встречаются и в неживой природе. Ярким примером такой системы является физический прибор называемый лазером. Принцип работы лазера заключается в том, что получая энергию извне его резонатор вырабатывает монохроматическую (одной частоты) электромагнитную волну, т.е. ведёт себя как самоорганизующая система. В 60-х годах 20 в. американский физик Герман Хакен на основе работы лазера исследовал самоорганизующие системы и ввел термин «синергетика». Другим примером таких систем являются ряд химических реакций, в т.ч. реакция в процессе которой вырабатываются ферменты, которые служат катализаторами и способствуют, с одной стороны ускорению реакции, а с другой, увеличению выработки ферментов. Таким образом, основная идея синергетики заключается в том, что в результате самоорганизующих процессов в принципе возможен возникновения порядка из беспорядка (хаоса). Формирование самоорганизующих процессов очень часто зависить от характера взаимодействия необходимых и случайных факторов с окружающей средой. Обычно самоорганизующие процессы не являются простыми и равномерными. В течение таких процессов могут наблюдаться переломные моменты, называемые точками бифуркации. Вблизи этих точек параметры системы приобретают большие флуктуации и поэтому, роль случайных факторов возрастает. Можно сказать, что в этой ситуации система колеблется перед выбором того или иного пути развития и небольшая флуктуация какого-то параметра системы может направить её эволюцию в некоторое (случайное) направлении, определяя, таким образом, будущее системы. С этой точки зрения можно сказать, что возникновение жизни на Земле, т.е. происхождение живого от неживых не является чудотворным явлением, а одним из случайных, но возможных, следствий эволюционных процессов Вселенной. c. Естествознание и будущее цивилизации. Если ещё раз взглянуть в историю развития естествознания, то убедимся в том, что во все времена оно являлось основным средством прогресса общества. Научные открытия и их практическое использование имели большое влияние на судьбы человечества. Открытие законов механики в 17 в. и создание машин и механизмов, открытие электромагнитных волн в 19 в. и рождение электротехники, радиотехники и электроники, появление теории атомного ядра в 20 в. и использование энергии атома, открытие тайн наследственности во второй половине 20 в. и создание генной инженерии; таких примеров можно привести много. Приведенные примеры показывают, что сегодня нельзя представить жизнь человека без использования достижений науки. Все это так, однако, человек 21 в. на современную науку и технику и их будущее смотрит не только с чувством восхищения и преклонения, но и с опаской и тревогой. Говорят, что наука приносит человеку не только блага, но и бедствия и эти слова имеют основу. Экологические проблемы, в т.ч. загрязнение атмосферы, аварии на атомных электростанциях, исчезновение многих видов растений и животных, появление все новых и новых неизлечимых болезней и т.д. люди связывают с прогрессом науки. Однако, и это всегда надо иметь в виду, что основной причиной экологических проблем является не наука, а те общественные и государственные структуры, которые определяют направления развития науки и, главное, направления применения результатов научных исследований. Наука является одной из форм деятельности человека, частью человеческой культуры и тесно связана с развитием общества. Трудность и противоречивость нынешнего состояния заключается в том, что наука и знание в самом деле являются причиной экологических и других неотложных проблем современности. В то же время решение этих проблем вне науки и её дальнейшего развития абсолютно невозможен. Так что роль науки в человеческом обществе будет возрастать и умаление её значения может привести к непредсказуемым отрицательным последствиям для общества. Начиная с середины 20 в. повышение потребности человека и интенсификация его производственной деятельности привели к всевозрастающему влиянию человека на природу. Человек стал сооружать крупные водоёмы, строить каналы, в большом объеме извлекать из недр Земли различные породы, высушивать болота, использовать целинные земли под сельхозугодий и производить все новые и новые химические вещества. Он добрался до самых глубин океанов и космических высот. Все это делается на благо человека, однако всевозрастающее влияние человека на окружающую среду имеет и отрицательные последствия. Таким образом, неконтролируемая и непредсказуемая деятельность человека имеет отрицательное воздействие на ход естественных процессов, приводить к необратимым изменениям и в окружающей среде и в биологической природе самого человека. Такое практически необратимое изменение коснулось всей окружающей среды, атмосферы, гидросферы, плодородного слоя земной коры, а также растений и животных. Наряду с этим неуклонно растет численность населения нашей планеты. Занимательно, что согласно достоверным данным, в начале новой эры (две тысячи лет назад) на Земле проживали всего около 300 млн. человек. Это число в 1000 году (через тысячу лет!) возросло всего до 400 млн., а до середины 17 в. до 500 млн. Если в 1900 году численность населения Земли достигла 1,6 млрд., то в 1950 г. возросло до 2,5 млрд. и уже в 1970 г. до 3,7 млрд. Сейчас численность населения Земли превышает 7 млрд. Таким образом, если в течение первого тысячелетия нашей эры население Земли возросло всего на одну треть, то за последние 100 лет – в четыре раза. Интересна и другая статистика: если население Земли достигло 1 млрд. в начале 19 в. (1804 г.), то второго миллиарда достигло в 1927 г. (за 123 года), третьего миллиарда – в 1960 г. (за 33 года), четвертого миллиарда – в 1974 г. (за 14 лет), пятого миллиарда – в 1987 г. (за 13 лет), шестого миллиарда – в 1999 г. (за 12 лет) и седьмого миллиарда – в 2011 г. (также за 12 лет). Эти данные приведены на рис. 41. Численность, млрд. чел. Века Рис. 42. Численность населения Таким образом, человек, общество и цивилизация в целом сегодня подвержены глубокому экологическому кризису. Если не принять конкретные меры, то гибель биосферы и, вместе с ней, человеческой цивилизации неминуем. Как было отмечено в предыдущей теме число видов растительного мира планеты более 500 тысяч, а животного мира – около 1,5 млн. и все они подвержены пагубному влиянию глобального экологического кризиса. Рассмотрим основные черты современного экологического кризиса. а) Исчезновение живых организмов, их видового многообразия и генофонда. Подсчитано, что с начало 80-х годов 20 в. ежедневно вымирает один вид животных, а еженедельно – один вид растений, причем животные и растения исчезают не в результате истребления их человеком (охота, вырубка), а вследствие изменения условий окружающей среды. Исчезновение угрожает тысячам видов растений и животных, а, как известно, каждый вид является уникальным результатом эволюции и, согласно закону биологии исчезнувший вид в будущем вновь не появляется. Доказано, что устойчивость биосферы тем выше, чем больше видов растений и животных и сохранение биологического многообразия является главным условием устойчивости биосферы и условием жизни человека. б) Исчезновение лесов. Как мы знаем леса являются главными поставщиками кислорода в атмосферу. К сожалению, в настоящее время леса исчезают со скоростью десятки гектаров в минуту. В результате происходит эрозия почвы и уничтожается верхний плодородный слой земли. Подсчитано, что опустынивание Земли происходит со скоростью 44 га/мин. В результате за последние 100 лет одна четверть суши лишилась растительного покрова, растительная биомасса уменьшилась на 7 % и площадь пашни сокращается даже без учёта роста населения. в) Истощение природных ресурсов. Ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд. т. различных пород. Если это будет продолжаться в таком темпе, то запасы нефти истощаться примерно через 30 лет, газа – через 50 лет, угля – через 100 лет. Эти данные не являются преувеличением, так как энергетические затраты человека неуклонно растет. Так, если в первобытном обществе расход энергии составлял примерно 4000 ккал/сутки, то в феодальном обществе это число возросло до 12000 (в три раза), в индустриальном обществе – до 70 000 (более 17 раз) и в постиндустриальных странах – до 250 000 (более чем в 60 раз!). Вследствие этого температура атмосферы увеличивается, что может привести к неблагоприятным климатическим, географическим, геологическим и т.д. последствиям. г) Загрязнение биосферы Земли. Источником загрязнения атмосферы является предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, автотранспорт, сжигание мусора и т.д. Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 20 млрд. т. СО2, 300 млн. т. СО, 50 млн. т. оксидов азота, 150 млн. т. SО2 и других вредных веществ. Также выбрасывается более 400 млн. т. сажи, пыли, золи. На неблагоприятные климатические последствия огромное влияние имеет сжигание топлива. При этом выбрасывается огромное количество углекислого газа (СО2) и пыли. Известно, что углекислый газ свободно пропускает излучение Солнца, а не пропускает тепловое излучение Земли. Вследствие этого возникает так называемый парниковый эффект, т.е. Земля нагревается, ускоряется таяния ледников (и полярных и горных), повышается уровень Мирового океана, увеличивается влажность воздуха и т.д. Увеличение содержания оксида серы (SO2) вызывает рост кислотности водоемов и гибель их обитателей. Под действием SO2 и оксида азота (NO2) разрушаются стройматериалы и архитектурные ансамбли. Выхлопные газы автотранспорта, содержащие оксиды углерода (СО), азота и серы, соединения свинца и ртути, наносят огромный урон биосфере, вызывает общую слабость, головокружение, тошноту и отрицательно действуют на нервную систему. Загрязнение гидросферы промышленными и бытовыми отходами проводит к нарушению естественного самоочищения водоёмов. Общий запас воды нашей планеты составляет около 1,4*1018 т, основная масса которого сосредоточена в морях и океанах, а пресная вода составляет лишь 2%. В связи с развитием промышленности и ростом числа населения расход воды постоянно увеличивается. Использование воды приводит к её загрязнению. Ежегодно в водоёмы сбрасываются около 600 млрд. т промышленных и бытовых стоков, свыше 10 млн. т нефти и нефтепродуктов, которые наносят огромный урон живым организмам в водоёмах. Ядовитые вещества, соединения токсичных металлов, а также радиоактивные отходы загрязняют также почву и попадая на продукты питания оказывают губительные влияние на организм человека. В результате учащаются известные заболевания и появляются новые, ранее неизвестные болезни. Масштабы загрязнения окружающей среды настолько велики, что естественные процессы метаболизма и разбавляющая деятельность атмосферы и гидросферы не в состоянии нейтрализовать вредное воздействие человеческой деятельности. В результате биосфера разрушается и если не остановить этот процесс, то она просто погибнет. Судьба человечества также будет предрешена. К сожалению, в современном обществе на сложившуюся экологическую ситуацию не уделяется должное внимание. Люди считают, что природа нашей планеты безгранична и неисчерпаема. Они удовлетворяются своим настоящим благополучием, а возникающие экологические проблемы не принимают всерьёз, не думают о том, в каких природных условиях будут их жить дети, внуки, правнуки. Такое эгоистическое поведение современных людей может привести к экологической катастрофе и гибели цивилизации. Таким образом, перед человечеством остро встала проблема сознательного и целенаправленного регулирования взаимодействия между обществом и природой, выработки стратегии её охраны, а значить сохранения и самого человека. Одним из путей решения данной проблемы является переход к использованию возобновляемых источников энергии (солнечная, гидроэнергетика, ветровая, геотермальная и т.д.), которые практически безвредны для окружающей среды. Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь её 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем. В настоящее время использование возобновляемых энергий составляет около 18% и к 2050 году по различным оценкам могут составлять от 40 до 70%. Для этого достаточно придерживаться следующих принципов: а) период неконтролируемого воздействия человека на природу заканчивается; б) нужно перейти от хищнической эксплуатации природной среды к очень осторожным взаимоотношениям; в) нужно иметь в виду, что взаимоотношения, основанные на принципах экологии являются рациональными и с точки зрения экономики (меньше вреда, меньше затрат); г) только многообразная биосфера устойчива и высокопродуктивна; д) надо отказаться от лозунга «человек царь природы», правильным лозунгом следует считать – «человек является не царем природы, а её квартирантом». Решение экологических проблем, которые имеют глобальный, всемирный характер, требует сотрудничества и согласованных действий всех стран и международных организаций. То же самое относиться и к проблемам Сарезского озера и Аральского моря, которые привлекли внимание учёных и мирового сообщества. Можно не сомневаться, что в ближайшем будущем сработает инстинкт самосохранения и человечество встанет на путь решения экологических проблем. 4. Современная биотехнология и будущее человечества Биотехнология является технологическим процессом с использованием биологических систем или живых организмов. Основу биотехнологии составляют новейшие достижения таких отраслей современной науки, как биофизика, биохимия, микробиология, молекулярная биология, генная инженерия, химия антибиотиков, иммунология и т.д. Хотя термин «биотехнология» появился совсем недавно (70-ые годы 20 в.), с биотехнологическими процессами люди знакомы ещё в глубокой древности. Ярким примером сказанного являются использование дрожжей при выпечке хлеба, производство молочных продуктов, пива, кваса и т.д. Основными направлениями современной биотехнологии являются медицинская биотехнология, агробиотехнология, экологическая биотехнология. В медицинской биотехнологии исследуются влияние тепловых, звуковых, электромагнитных и других физических процессов на различные органы живых организмов и на этой основе создаются новые методы физиотерапии. Таким путем также можно выяснить природу методов нетрадиционной и народной медицины. Биотехнологии имеют широкое применение в фармакологии. Одним из важных достижений в этом направлении является создание антибиотиков. Новыми направлениями современной медицинской биотехнологии являются производство витаминов, средства диагностики, разлагаемые пластмассы, биодобавки и т.д. Одним из достижений биотехнологии 20 в. является производство минеральных удобрений и пестицидов, использование которых позволяют резко повысит урожайность сельхозкультур и положило начало «зеленой революции». Но вскоре выяснилось, что в результате этой революции пищевые продукты оказались насыщенными нитратами и ядохимикатами. В результате появились «экологически чистые продукты», которые, несмотря на высокие цены имеют большой спрос. Современная биотехнология также считается одним из средств решения экологических проблем. Таким методом используются микроорганизмы, с помощью которых, например, очищается вода от нефтепродуктов. Самым важнейшим направлением биотехнологии, открывающий перед человечеством большие возможности, является генная инженерия. Она появилась в 70-х годах 20 в. как раздел молекулярной биологии и разрабатывает методы создания новых комбинаций генетических материалов, способных размножаться внутри клетки и синтезировать конечные продукты. Этим путем созданы трансгенные микроорганизмы, которые наряду с генами бактерий, содержать и другие, в т.ч. человеческие гены. Вскоре появились возможность получить биологически активные вещества путем синтеза микробов, содержащие в тканях растений и животных (например инсулин для лечения диабета). Генная инженерия позволяет выращивать новые биологические организмы – трансгенные животные и растения. В результате создана новая отрасль производства – трансгенная биотехнология, связанная с производством и применением трансгенных организмов. В лабораторных условиях проведены работы по разработке трансгенных микробов с различными свойствами. Вместе с тем применение этих микробов вне лабораторий запрещено, так как последствия этих экспериментов ещё не выяснены. Тем не менее, в области разработки трансгенных растений, животных и микробов проведены определенные работы. Так, в течении последних 15 – 20 лет полевые испытания прошли более 25 тысяч трансгенных растений. В 2000 году площадь посевов трансгенных культур достигло 28 млн. гектаров и получен урожай на 3 млрд. долларов. Острейшая дискуссия между сторонниками и противниками трансгенных организмов продолжается уже более 25 лет. Однако, думается, что будущее человечества невозможно представить без использования трансгенной биотехнологии. Тем не менее, эти дискуссии требуют правового регулирования. Задания для самостоятельной работы А) Вопросы для письменного ответа. 1. Расскажите об особенностях естествознания 21 в. 2. Какими характеристиками обладают синергетические системы. 3. Расскажите об основных чертах современного экологического кризиса. 4. Что вы знаете о «парниковом эффекте»? 5. Расскажите об основных направлениях современной биотехнологии. Б) Тестовые вопросы 1. Существующие запасы нефти истощаются через а) примерно 30 лет б) примерно 50 лет в) примерно 100 лет г) примерно 200 лет 2. Существующие запасы угля истощаются через а) примерно 30 лет б) примерно 50 лет в) примерно 100 лет г) примерно 200 лет 3. Существующие запасы газа истощаются через а) примерно 30 лет б) примерно 50 лет в) примерно 100 лет г) примерно 200 лет 4. Виды животных исчезают со скоростью а) ежечасно один вид б) ежедневно один вид в) еженедельно один вид г) ежемесячно один вид 5. Виды растений исчезают со скоростью а) ежечасно один вид б) ежедневно один вид в) еженедельно один вид г) ежемесячно один вид ЛИТЕРАТУРА 1.Г.И.Рузавин –Концепции современного естествознания. -М: «Культура и спорт»-1997,246 стр. 2.К.Б.Њусейнов А., А.Ѓаффоров «Консепсияњои табиатшиносии муосир»-Хуљанд,1999,146 сањ. 3.В.М.Найдыш-«Концепции современного естествознания».- М «Альфа-М; и ИНФРА-М», 2003,622 сањ. 4.А.А.Горелов-«Концепции современного естествознания».- М «Академия» 2006, 496 стр 5.Ф.Х.Њакимов, Њ.М.Маљидов-«Асосњои консепсияњои табиатшиносии муосир»-Душанбе, 2002,102 сањ. Глоссарий 1. Автотрофный (<гр. сам - питаюсь) - питающийся неорганическими веществами. 2. Адаптация (<лат. приспособление) - приспособление функций и строения организмов к условиям существования. 3. Аминокислоты - органические соединения, содержащие аминои карбоксильную группы. Анализ - (от греч. analysis - разложение) - 1) расчленение (мысленное или реальное) объекта на элементы; анализ неразрывно связан с синтезом(соединением элементов в единое целое). 2) Синоним научного исследования вообще. 3) В формальной логике уточнение логической формы (структуры) рассуждения. БСЭ. 1. Метод научного исследования действительности, состоящий в расчленении целого на составные элементы (противоп.: синтез). 2. Определение состава и свойств вещества путем разложения его на более простые элементы. // разг. Результат исследования состава и свойств какого-л. вещества (крови, мочи и т.п.). 3. Детальное, всестороннее изучение, рассмотрение какого-л. факта, явления, события. 4. Аналогия (<гр. analogia) - сходство в каком-либо отношении между предметами и явлениями; форма умозаключения, когда на основании сходства двух предметов, явлений в каком-либо отношении делается вывод об их сходстве и в другом отношении. 5. Аннигиляция (<лат. nihil ничто) - превращение в ничто, уничтожение; превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы, в том числе в γ-кванты. 6. Аномалия - (греч. anomalia) - отклонение от нормы, от общей закономерности, неправильность. 7. Антропо - (<гр. anthropos человек) - первая составная часть сложных слов, обозначающая, относящийся к человеку, напр.: "антропогенез" происхождение человека, "антропогенный" - обусловленный результатами человеческой деятельности. 8. Ареал - (<лат. area площадь, пространство) - область распространения на земной поверхности какого-либо явления, видов животных, растений, полезных ископаемых и т.п. 9. Архей, археозой (<гр. archaios древний + zoe жизнь) древнейшие отложения докембрия (в основном гнейсы, сланцы, мраморы и кварциты, лишенные органических остатков) и время их образования (архейская эра); в архейскую эру сформировались древнейшие ядра континентов. 10. Ассимиляция (<лат. уподобление, сопоставление) - образование в организме сложных веществ из более простых (<в конечном счете из элементов внешней среды). 11. Биогенез - концепция, утверждающая, что между живой и неживой материей лежит непреодолимая преграда, а следовательно, все живое может происходить лишь от живого (эволюция, происходящая независимо от человека). 12. Биогеоценоз - однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обмен веществ и энергии). 13. Биология (греч. биос – жизнь, логос - наука) – наука о живых организмах, взаимное влияние между ними и окружающей средой. Биология состоит из отдельных наук, такие как анатомия, ботаника, зоология и другие, а также изучает их взаимосвязи. 14. Биом - совокупность видов растений и животных, населяющих данный район (лес, степь, пустыня, тундра), (термин распространен в зарубежной литературе). 15. Биосфера - область распространения жизни на Земле. Включает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросферу и верхнюю часть литосферы, населенные живыми организмами. 16. Биотехнология - это наука или совокупность сведений о различных способах и процессах производства биологическими методами. 17. Биотоп (<био - гр. topos место) - участок среды обитания биоценоза растений, животных и микроорганизмов, характеризующийся относительно однородными условиями (<осоковое болото, пойменный луг, высокоствольная дубрава). 18. Биоценоз (<био + гр. koinos общий) - совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни (<биотоп). 19. Бифуркация (лат. birurcus раздвоенный) - разветвление чеголибо. 20. Вид - основная структурная и классификационная единица в системе живых организмов; совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный ареал, обособленных от особей других видов нескрещиваемостью. 21. Вита (лат. vita) - жизнь. 22. Витализм (<лат. vita) - совокупность идеалистических течений в биологии, согласно которым жизненные явления объясняются присутствием в живых организмах особого нематериального начала ("жизненной силы", "души"). 23. Галактика (<гр. молочный, млечный) - Млечный Путь - наша звездная система. 24. Галактики - звездные системы различного вида, также, как и Галактика, состоящие из звезд, газовых и пылевых туманностей и межзвездного рассеянного вещества. 25. Гелио(с) (<гр.) - Солнце. 26. Гелиоцентрический - с центром, совпадающим с Солнцем. 27. Гелиоцентрическая система мира - учение о центральном положении Солнца в нашей планетной системе. 28. Ген (<гр. genos - относящийся к рождению, происхождению) – элементарная единица наследственности, которая является частью молекулы ДНК или РНК, определяет один из видов белков живых организмов. 29. Генетика (<гр. genos - относящийся к рождению, происхождению) - наука, изучающая закономерности двух основных свойств живых организмов - наследственности и изменчивости. 30. Геном - вся ДНК, содержащаяся в гаплоидном наборе представителя биологического вида. 31. Генотип - наследственная основа организма, совокупность генов, локализованных в его хромосомах (<совокупность всех наследственных факторов организма). 32. Генофонд - это совокупность всех генов, имеющихся у особей данной популяции, группы популяции, вида. 33. Гео.. (<гр. ge - земля) - первая составляющая часть сложных слов, обозначающая относящийся к Земле и к её изучению. 34. Геоцентрический - с центром, совпадающим с Землей. 35. Геоцентрическая система мира существовавшее представление, согласно которому Земля является неподвижным центром Вселенной, вокруг которого обращаются Солнце и другие небесные светила. 36. Гетеротрофные организмы (<гр. hetero - другой) – использующие для своего питания готовые органические вещества. К гетеротрофам относятся человек, все животные, некоторые растения и микроорганизмы (большинство бактерий, грибы и др.) 37. Гидросфера - водная оболочка Земли. 38. Гравитационный коллапс - резкое нарушение механического равновесия звезды, при котором сила тяготения превосходит силу, вызванную перепадом газового давления; в результате происходит быстрое сжатие звезды ("падение на самое себя"). 39. Дедукция - случай умозаключения при переходе от общего к частному, приводящий из рассмотрения большого количества частных случаев к обобщенному выводу о всей совокупности случаев. Вид умозаключения от общего к частному, когда из массы частных случаев делается обобщенный вывод о всей совокупности таких случаев. 40. Детерминизм (<лат. detemiinare определять) - концепция, признающая объективную закономерность и причинную обусловленность всех явлений природы и общества. 41. Дивергенция (<лат. divergere отклоняться, расходиться)- 1) расхождение; 2) в биологии" расхождение признаков организмов в процессе их эволюции, вызываемое естественным или искусственным отбором. 42. Дискретный (<лат. discrete раздельный, прерывистый) прерывистый, состоящий из отдельных частей. 43. Диссимиляция (<лат. dbsimilatio расподобление) - распад сложных веществ на простые в организме, сопровождающийся освобождением энергии. 44. Дифференциация (<фр. differentiation - различие) разделение, расчленение, расслоение целого на различные части, формы и ступени. 45. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. 46. Догма (<гр. dogma) - положение, принимаемое за непреложную непререкаемую истину, признаваемое бесспорным и неизменным без доказательства, некритически, без учета конкретных условий. 47. Докембрий - наиболее древние толщи горных пород и временной интервал, соответствующий их образованию, и составляющий около 6/7 геологической истории Земли. Остатки древних организмов в докембрийских отложениях (в основном мягкотелые многоклеточные животные) встречаются сравнительно редко. 48. Доктрина (<лат. doctrina) - учение, научная или философская теория, политическая система, руководящий теоретический или политический принцип. 49. Доминанта (<лаг. dominant господствующий) - преобладающий, господствующий. 50. Естественный отбор это процесс избирательного воспроизведения организмов, происходящий в природе, в результате которого в популяции возрастает доля особей с полезными для вида признаками и свойствами в конкретных условиях среды. 51. Живое вещество - это совокупность живых организмов, существовавших или существующих в конкретный отрезок времени и являющихся мощным геологическим фактором. 52. Иерархия (<гр. hierarchia < hieros священный - arche власть) расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. 53. Изотропность (<гр. isos равный, одинаковый - tropos свойство) одинаковость свойств объекта по всем направлениям. 54. Индукция (лат. inductio – волновать, взволновать) - вид обобщений, связанных с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных прошлого опыта. Индукция — вид умозаключения от частных фактов, положений к общим выводам. 55. Интеграция (<лат. integratio восстановление, восполнение, целый) - объединение в целое каких-либо частей, элементов. 56. Интуиция (<лат. intueri пристально, внимательно смотреть) чутье, проницательность, непосредственное постижение истины без логического обоснования, основанное на предшествующем опыте. 57. Кайнозой, кайнозойская эра - новейшая эра геологической истории Земли, охватывающая и современную эпоху; продолжительность - 60 - 70 млн. лет. Характеризуется интенсивными тектоническими движениями, мощным оледенением материкового типа. В органическом мире - господство цветковых растений, расцвет птиц, млекопитающих, формирование отряда приматов, возникновение (в течение последних 3-5 млн. лет) древнейших форм людей. 58. Квазары (<англ. Quasar - сокр. от quasistellar radio source квазизвездный источник излучения) - интенсивные источники радиоизлучения на расстоянии в миллиарды световых лет от Солнечной системы, со светимостью в сотни раз больше светимости галактики размерами, в десятки меньшими размеров последних. 59. Кембрий, кембрийский nepиoд - первый период палеозоя, продолжительностью около 70 млн. лет; подразделяется на три отдела (эпохи): нижний, средний, верхний. 60. "Кембрийский взрыв" - резкое возрастание, "взрыв" разнообразия живых форм как растений, так и животных, начиная с кембрийского периода палеозойской эры. 61. Класс - систематическая группа, объединяющая близкие семейства. 62. Континуум - (<лат. continuum непрерывное, сплошное) - 1) непрерывность, неразрывность явлений, процессов; 2) сплошная материальная среда, свойства которой изменяются в пространстве непрерывно. 63. Концепция (<лат.) - система взглядов. 64. Корпускула (<лат. corpuscula тельце) - частица. 65. Космогония (<гр. kosmogonia) - происхождение мира. 66. Космология (<гр. Kosmos - Вселенная - logos - наука) представление о мироздании. 67. Креационизм (<лат. creatio созидание) - тезис о божественном сотворении мира и человека. 68. Криптозой (<гр. kryptos тайный — гое жизнь) - геологический интервал времени, в течение которого сформировались толщи горных пород, лишенные явных остатков скелетной фауны. 69. Круговороты газообразных веществ - это перемещение питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. 70. Литосфера (гр. lithos камень) - земная кора - верхняя часть твердой поверхности Земли. 71. Мезо - (<гр. mesos) - первая составная часть в сложных словах, означающая "средний", "промежуточный". 72. Мезозой, мезозойская эра - (<гр. mesos средний, zoe жизнь) группа отложений горных пород и соответствующая ей эра геологической и палеонтологической истории Земли продолжительностью 160-170 млн. лет. Характеризуется ускорением эволюционного процесса, появлением сложноорганизованных форм жизни, господством гигантских рептилий; появляются птицы, в растительном мире - бурное развитие лесов, появление цветковых растений. 73. Метагалактика - вся известная в настоящее время часть Вселенной, со всеми находящимися в ней галактиками и др. объектами. 74. Метод исследования — способ применения старого знания для получения нового знания. Является орудием получения научных фактов. 75. Методология - учение о методах познания в целом. 76. Методология научного познания — учение о принципах, формах и способах научно-исследовательской деятельности. 77. Микроэволюция - эволюционный процесс, протекающий внутри популяции и вида, ведущий к изменению вида. 78. Мутация (лат. mutatio изменение, перемена) - внезапно возникающее естественное или искусственно вызываемое стойкое изменение наследственных структур, ответственных за хранение генетической информации и ее передачу от клетки к клетке и от предка к потомку. 79. Наследственность - это свойство живых организмов сохранять и передавать потомству особенности своего строения, функций и развития. 80. Наука - особый вид познавательной деятельности, направленной на получение, уточнение и производство объективных, системноорганизованных и обоснованных знаний о природе, обществе и мышлении. Основой этой деятельности является сбор научных фактов, их постоянное обновление и систематизация, критический анализ и, на этой базе, синтез новых научных знаний или обобщений, которые не только описывают наблюдаемые природные или общественные явления, но и позволяют построить причинно-следственные связи и, как следствие — прогнозировать. Те естественнонаучные теории и гипотезы, которые подтверждаются фактами или опытами, формулируются в виде законов природы или общества. Наука в широком смысле включает в себя все условия и компоненты научной деятельности: разделение и кооперацию научного труда; научные учреждения, экспериментальное и лабораторное оборудование; методы научноисследовательской работы; понятийный и категориальный аппарат; систему научной информации; а также всю сумму накопленных ранее научных знаний. 81. Научная картина (модель) Мира — система представлений о свойствах и закономерностях реальной действительности, построенная в результате обобщения и синтеза научных понятий и принципов. 82. Нуклеиновые кислоты - необходимая составная часть всех живых организмов; им принадлежит ведущая роль в биосинтезе белка и передаче наследственных признаков организма. 83. Осадочные циклы - это движение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой (водой) и живыми организмами. 84. Палеозой, палеозойская эра (<гр. palaios древний — zoe жизнь) древняя группа отложений горных пород и соответствующая ей эра геологической и палеонтологической истории Земли продолжительностью 335 млн. лет. Характеризуется бурной эволюцией органического мира от первых хордовых и рыб до гигантских амфибий и наземных пресмыкающихся, от водорослей до семенных папоротников. 85. Парадигма (<гр. paradeigma пример, образец) - теория (модель, тип постановки проблемы), принятая в качестве образца решения исследовательских задач. 86. Парадокс (<гр. paradoxos неожиданный, странный) неожиданное явление, не соответствующее обычным представлениям. 87. Популяция (<фр. population население) - совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство и размножающихся путем свободного скрещивания, относительно изолированная от других. Как элементарная единица эволюционного процесса популяция способна длительно существовать во времени и пространстве, самовоспроизводиться и трансформироваться. 88. Проблема - крупное обобщенное количество сформулированных научных вопросов, охватывающих область планируемых исследований. Знание о том, что наука в настоящее время не знает, но это недостающее знание необходимо для науки и развития практики. 89. Прокариоты (<лат. pro перед, впереди + гр. karyon ядро) - организмы, лишенные оформленного ядра (вирусы, бактерии, синезеленые водоросли). 90. Пульсары (<англ. pulsars сокр. от pulsating sources of radio emission пульсирующие источники радиоизлучения) - космические источники радио-, оптического, рентгеновского, гамма- излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов); радиопульсары - быстро вращающиеся нейтронные звезды; рентгеновские пульсары - двойные звезды, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды. 91. Редукционизм (-лат. reductio уменьшение) - научный метод, характеризующийся стремлением описать более сложные явления языком науки, описывающей менее сложные явления или класс явлений (например, сведение биологии к механике и т.п.; разновидностью редукционизма является фи зыкали зм). 92. Реликтовое излучение (<лат. relicturn остаток) - фоновое космическое излучение в сантиметровом диапазоне, отражающее физическое состояние Вселенной в начальный период ее существования. 93. Релятивистский (<лаг. relativus относительный) - относящийся к явлениям, рассматриваемым на основе специальной (частной) теории относительности или на основе общей теории относительности А. Эйнштейна. 94. Ресурсный цикл - это совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах использования его человеком (включая его выявление, подготовку к эксплуатации, извлечение из природной среды, переработку, превращение, возвращение в природу). 95. РНК - рибонуклеиновая кислота. 96. Poд - крупная систематическая группа, объединяющая близкие семейства. 97. Самоорганизация - процесс взаимодействия элементов в результате которого происходит возникновение нового порядка или структуры в системе. 98. Селекция - (<лат. selectio отбор, выбор) - наука о выведении новых и совершенствовании существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов, соответствующих потребностям человека и ".ровню производительных сил общества. 99. Семейство систематическая группа, объединяющая родственные роды. 100. Симбиоз (<гр. symbiosis сожительство) - длительное сожительство организмов разных видов. 101. Синергетика (<гр. synergetikos совместный, согласованно действующий) - направление в науке, связанное с изучением закономерностей пространственновременного упорядочения, самоорганизации в различных открытых системах. 102. Синкретизм (<rp.syncretismos соединение, объединение) слитность, нерасчлененность, характеризующая первоначальное, неразвитое состояние чего-либо, например, донаучное целостное представление о природе. 103. Синтез (<гр. synthesis соединение, сочетание) - метод научного исследования предмета, явления, состоящий в познании его как единого целого, в единстве и взаимной связи его частей. 104. Система (<гр. systems целое, составление из частей, соединение) - совокупность элементов или их частей, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. 105. Субстанция (<лат. substantia сущность) - 1) материя в единстве всех форм ее движения, 2) неизменная основа, сущность вещей и явлений, 3) в некоторых теоретических построениях современного естествознания - носитель некоторого явления. 106. Таксон (<лат. taxare оценивать) - группа объектов, связанных той или иной степенью общности свойств и признаков, дающих, благодаря этому, основание для присвоения им таксономической категории, в биологии, например, таксономической категорией является вид. 107. Теория - комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления. 108. Техника (τεχνικός от τέχνη — искусство, мастерство, умение) — это общее название различных приспособлений, механизмов и устройств, не существующих в природе и изготовляемых человеком. 109. Технология (<гр. techne искусство, ремесло + logos наука) наука или совокупность сведений о различных способах и процессах производства сырья или продуктов. 110. Умозаключение — мыслительная операция, посредством которой из некоторого количества заданных суждений выводится иное суждение, определенным образом связанное с исходным. Умозаключение — логическая операция, в результате которой из одного или нескольких принятых утверждений (посылок) получается новое утверждение — заключение (вывод, следствие). 111. Фанерозой (гр. phaneros явный — zoe жизнь) - геологический интервал времени, в течение которого сформировались толщи горных пород палеозоя, мезозоя и кайнозоя, характризующиеся достоверными органическими остатками (ср. криптозой). 112. Ферменты (<лат. fermentum закваска) энзимы, биокатализаторы - белки, присутствующие во всех живых клетках животных, растений и микроорганизмов, направляющие, регулирующие и многократно ускоряющие биохимические процессы в них. 113. Флуктуация (<лат. fhictuatio колебание) - случайное отклонение величины, характеризующей систему из большого числа частиц, от ее среднего значения. 114. Формирование структуры - возникновение новых свойств и соотношений во множестве элементов системы. 115. Черная дыра - состояние звезды в результате гравитационного коллапса, конечная стадия эволюции массивных звезд, предсказанная на основе общей теории относительности. 116. Эволюция (<лат. evolutio развертывание) - одна из форм движения, развития в природе и обществе - непрерывное, постепенное качественное изменение. 117. Экологический фактор - это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями; экологические факторы подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные. 118. Экосистема - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии (<биотоп — биоценоз). 119. Экосфера - совокупность всех экосистем. 120. Эукариоты (<гр. ей хорошо — karyon ядро) - все высшие организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделенное от цитоплазмы оболочкой. 121. Энергетический обмен - это совокупность реакций, сопровождающихся освобождением энергии, используемой клеткой для своего энергообеспечения. 122. Энтропия (<гр. en - внутри, thrope - поворот) - 1) одна из величин, характеризующих тепловое состояние системы; мера внутренней неупорядоченности системы; 2) в теории информации - мера неопределенности ситуации (случайной величины) с конечным числом исходов.
