7. концепции о типах взаимодействий в природе.
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУРСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В. Н. Бурмистров, В. А. Зрайченко, В. М. Полунин, А. А. Родионов КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Курс лекций КУРСК 2001 2 УДК 6817872 Составители: В. Н. Бурмистров, ВАЗрайченко, В. М. Полунин, А. А. Родионов. Концепции современного естествознания. Курск, гуманит-техн инт-т Сост.: В. Н. Бурмистров, ВАЗрайченко, В. М. Полунин, А.А. Родионов. Курск, 2001. 106 с. Излагаются важнейшие концепции современного естествознания, касающиеся эволюции Вселенной, зарождения Жизни на Земле и тенденций развития цивилизации на ней, необходимости коренного пересмотра отношения Человека с Природой для предотвращения гибельных глобальных необратимых последствий его деятельности на Земле. Курс лекций предназначен для студентов специальностей факультетов гуманитарного профиля Ил17.Таблиц 8. Библиогр: 55 назв Рецензент доктор физ.-мат наук, профессор А. И. Жакин. Редактор Г. Н. Иванова ЛР Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. Уч. изд. л. Тираж 300 экз. Заказ. Курский государственный технический университет. Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного технического университета. Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040 Курск, ул. 50 лет Октября 94. 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ КСЕ………………………………............................7 1 Естественнонаучная и гуманитарная культуры……………………………………….9 1.1 Естественнонаучный и гуманитарный типы мышления…………………….......9 1.2 Научный метод познания действительности.…………………………………...12 2 Корпускулярная и континуальная концепции описания природы............................15 2.1 Вещество как система частиц на примере идеального газа и основное уравнение для него как триумф ньютоновской механики…………………………….15 2.2 Вещество как сплошная среда (континуальное описание) на примере волновых и гидродинамических явлений………………………………………………………….16 3 Порядок и беспорядок в природе…………………………………………………….18 3.1 Фазовая вертикаль (агрегатные состояния вещества): газ, жидкость, твердое тело, плазма, вакуум…………………………………………………………………......18 3.2 Хаос теплового движения, влияние этой концепции на развитие представлений о веществе. Порядок из хаоса ..............................................…………………………………………………………...19 4 Теория хаоса и порядка……………………………………………………………..21 4.1 Философия нестабильности, бифуркации ............................................................................ ……………………………………….21 4.2 Диалектика катастроф. Порядок и хаос в макросистемах ...................................................................................................... ……………………...23 4.3 Количественные законы эволюции……………………………………………...23 4.4 Теория самоорганизованной критичности ............................................................................. ………………………………………24 4.5 Понятие о квантовом хаосе………………………………………………………25 5 Концепции пространства и времени………………………………….......................27 5.1 Масштабы пространства и времени…………………….……………………….27 5.2 Принципы относительности………………………..……………………………28 6 Законы сохранения в макропроцессах……………………………………………….30 6.1 Понятие о внутренней энергии, теплоте, энергии,. работе системы молекул газа. Первое и второе начала термодинамики……………………………………………30 6.2 Энтропия мера хаотичности, ее статистический смысл по Больцману……….31 6.3 Энтропия и информация. Негэнтропия…………………………………………33 7 Концепция о типах взаимодействий в природе…………………………………….33 7.1 Дально и близкодействие в историческом аспекте. Гравитационное и кулоновское взаимодействия…………………………………………………………………….33 7.2 Концепции сильного и слабого взаимодействий……………………………….34 7.3 Понятие о физическом вакууме как материальной среде ..................................................................................................... ………………………36 8 Принципы симметрии в природе…………………………………………………….37 8.1 Законы сохранения энергии и импульса как следствие однородности времени и пространства .................. ……………………………………………………………………………..37 8.2 Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства …………………………………………………………………………………………….39 9 Квантово-полевая картина мира ………………….…...…………………………….40 9.1 Характеристики и свойства микрообъектов……………………………….........40 9.2 Две фундаментальные идеи квантовой теории………………………….….......41 9.3 Принципы квантово - полевой картины мира….………………………….........42 9.4 Связь современной физики с нейронаукой и психологией ........................................................................................................ …………………….45 10 Концепция материальности мира…………………………………………………..46 10.1 Материя: вещество, энергия, организация…………………………………….46 10.2 Законы взаимопревращений и модель эволюции материи…………………...48 11 Концепция организации вселенной……………………………………….............50 11.1 Праматерия, адроны, лептоны, фотоны……………………………………….50 11.2 Модели Вселенной……………………………………………………………...53 11.3 Этапы и временная организация Вселенной………………………………......57 12 Особенности биологической формы материи……………………..…………...58 12.1 Эволюция микромира до простейших молекул………………………………58 12.2 От неживого к живому. Редупликация………………………………………..59 12.3 Генетика и эволюция, наследственность, информация, размножение……...61 12.4 Усложнение организации материи на уровне макромолекул………………..63 12.5 Усложнение организации материи от клетки до организма…………………65 13 От существующего к возникающем……………………………………….........66 13.1 Время в классическом макромире……………………………………………..66 13.2 Необратимость процессов и «стрела времени»……………………………….66 13.3 Флуктуации, бифуркации, аттрактор…………………………………….........67 13.4 Самоорганизация и условия существования живых организмов……………68 14 Принципы эволюции и воспроизводства биосистем.……................................69 14.1 Положения теории Дарвина об эволюционном процессе………….…………69 14.2 Очаги и признаки развития жизни на Земле …………………………………70 14.3 Многообразие живых организмов - основа устойчивости биосферы….........75 14.4. Классификация эволюционного развития биосферы………………………..76 14.5 Виды борьбы за существования и формы естественного отбора…….………78 15 Человек и биосфера………………………………………..………........................80 15.1 Этапы эволюции человека………………………………………...…….………80 15.2 Древо развития животного и растительного миров..………………………….81 15.3.Факторы влияния на биосферу ………...…………………………………........84 15.4. Круговорот химических элементов в биосфере………………………………85 16 Концепции поведения человека и животных………………………………...........86 16.1 Взаимосвязь морали и этики в сообществах высших животных……………..86 16.2 Биоэтика. Моральные ценности и поведение человека……………………….87 3 17 Об эмоциональном и творческом развитии человека……………………............89 17.1 Виды состояний и эмоций……………………………………………….……..89 17.2 Теории эмоций…………………………………………………………………..90 17.3 Концепция творчества……………………………………………………..........92 18 Принципы универсального эволюционизма……………………………...............94 18.1 Два полюса эволюции…………………………………………………………..94 18.2 Эволюция материи на биологическом уровне. Иерархия биосистем…..........96 18.3 Проблемы формирования и развития ноосферы…..…………………………..99 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.………………………………………………...102 НЕКОТОРЫЕ ТЕРМИНЫ………………………………….……………………….103 ТВОРЦЫ НАУКИ…………………………………………….…………………... …107 СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ…………………………………………………………..109 ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ “КСЕ” Естествознание как система наук о природе весьма бурно развивается. Сейчас объем знаний об окружающем нас Мире настолько велик, что в полном объеме не может быть освоен одним даже гениальным человеком. Подготовка специалистов высшей квалификации немыслима без изучения хотя бы основополагающих идей – концепций современного естествознания. Изучение дисциплины «Концепции современного естествознания» ставит своей задачей ознакомление студентов гуманитариев с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой общечеловеческой культуры, а также формирование цельного взгляда на окружающий нас Мир. Необходимость этого обусловлена тем, что в настоящее время естественнонаучный (рациональный) метод познания проникает в гуманитарную (интуитивную) сферу, участвуя в формировании сознания общества и рождая новый универсальный язык общения, адекватный психологии, философии, социальным наукам и искусству. Именно тенденция к гармоническому синтезу двух культур отвечает потребности общества в целостном миропонимании и подчеркивает актуальность изучаемой дисциплины. Оказалось, что формулировать это мировоззрение целесообразнее всего на базе физики, как основы естествознания. При этом речь идет о принципах и подходах к моделированию человеком целостной картины Мира притом, что сам человек – часть природы. При этом речь идет о трёх типах научной мысли и её возникновении: классической (механистической), неклассической (квантово-механической) и постнеклассической (эволюционно-синергетической). Когда речь идет о первом типе – там природа «отвечает» на вопросы, которые ставит человек. При втором типе – её «ответы» зависят и от того, как природа устроена и от способа постановки вопросов. Для третьего типа характерно, в дополнение ко второму, что ответы зависят ещё от предыстории системы. Постановка самих вопросов при этом зависит от культурных ценностей человека, связанных со всей историей цивилизации. То есть получается, что ответы природы зависят от всего. Сейчас используется синтез всех этих типов мышления. Поэтому дисциплина «Концепции современного естествознания» – продукт междисциплинарного синте4 за наук с учетом истории, философии, культуры, а также эволюционносинергетической теории. Изложение дисциплины ведется так, чтобы было видно личностное начало её творцов с их концепциями, взглядами, сомнениями. Излагаются вопросы устройства и эволюции Вселенной, космогенеза, истории дуализма корпускулярно-континуальных идей, витализма и физикализма и пр. Показывается объективная закономерность развития научного знания, объясняется потребность в единой культуре. Рассматривается концепция естественнонаучного образования гуманитариев. Кризис современной системы образования (как часть глобального мирового кризиса) во многом вызван узкодисциплинарными установками нынешнего образования, отчуждением его гуманитарной и естественнонаучной составляющих. Это происходит от переинформированности человека, от неспособности комплексного охвата им всего изучаемого. Для достижения восприятия сложности самоорганизующегося Мира в единстве требуется новая научная система взглядов, или парадигма, так как техногенная и гуманитарная стороны нашей цивилизации разобщены. Наука в культуре человечества занимает ведущее место. Новая концептуальная парадигма тем более нужна, так как человечество глобально движется к экологическому кризису, отчуждению человека от Природы и дегуманизации общества. Сейчас из-за этого кризиса существует антагонизм вышеназванных культур. Философия его устранить не в силах, так как сама находится в упадке и имеет, по крайней мере, в России минимум популярности. Сейчас нужно, как никогда, единение методов познания Мира и естественниками и гуманитариями. Необходимо воспитывать целостное видение реальности с учетом знаний современной науки. К системе природа-человек необходим единый подход – синергетический, опирающийся на синтез физики, математики и обобщения дарвинизма. Он называется эволюционным естествознанием. По Илье Пригожину новая парадигма «от бытия к становлению» переносит акцент с изучения инвариантов (неизменяющихся величин) системы на изучение состояний неустойчивости, на исследование механизмов рождения и перестройки структур, роли самоорганизации. В таких системах как человеческое общество важны альтернативные механизмы их исторического развития. И тенденция нового научного подхода в познании законов таких систем, их развития состоит именно во взаимном проникновении двух культур, движении их навстречу друг другу, в возврате к единству на новом уровне осознания Мира, в диалектическом дополнении этих сторон единой культуры. Таким образом, необходима реформа образования с заменой механистическодетерминисткого взгляда на Мир, на синергетически-эволюционный. Парадигмой в ней является биосфера Земли как целое, стремящееся либо к ноосфере, либо к смерти и эта система знаний должна рассматриваться в историческом аспекте и эволюционно. Концепции современного естествознания – продукт междисциплинарного синтеза в рамках комплексного подхода к естествознанию, в основе которого физика. Основная цель курса «КСЕ» – формирование рационального мышления, борьба с невежеством, знакомство с основами метаязыка, объединяющего в единое обе культуры. 5 1 ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ 1.1 Естественнонаучный и гуманитарный типы мышления. Успехи развития естествознания особенно в 17–20 веках привели к тому, что физические законы (и эмпирические и модельные) стали служить развитию техногенной цивилизации человечества. Обладание законами физики поставило перед человечеством проблему защиты природы от достижений науки. Иначе природа не выдержит над собой насилие человека, наделенного разумом. Пример тому – Чернобыльская катастрофа в 1986 году. На территории порядка 1000 км 2 ещё 300–400 лет нельзя жить и экономический ущерб от неё за 10 лет оценивается в 200 млрд. долларов. И это при том, что никакой ценой нельзя измерить человеческие жизни, унесённые при аварии. Перед человечеством возникла проблема выживания цивилизации в так называемую ядерную «зиму», которая может наступить после одновременного взрыва на Земле нескольких ядерных мегатонных зарядов. Избавиться от этой проблемы можно только единением всех природных, физиологических и духовных связей, используя все достижения науки о Вселенной (как наиболее общие законы развития Мира) с позиций концепции эволюции. То есть с позиций так называемого физикалистского (в основе знание законов физики) подхода. Оказалось, что эта позиция с учетом теории информации многое объясняет в эволюции общества. Это значит, что сейчас нужна стратегия перехода к концепции разума от стратегии потребительства. В изучении неживого («косного») и живого возникли новые тенденции развития. Так, например, Н.Н. Моисеев за основу берет логику развития природы, логику эволюции и триаду Дарвина: изменчивость, наследственность, отбор. Отсюда уже вытекает единый язык и механизмы эволюции. Оказалось, что эта концепция позволяет установить, как изменяется во времени структура материи, почему возникает новое её качество, что движет любым процессом самоорганизации? Почему в нём имеет место организованная направленность с усложнением организации? При этом необходимость не исключает случайности и определяет потенциальные возможности развития при полном его согласовании с законами природы и этот единый процесс охватывает и неживую природу, и живую, и общество. Всё это едино, а потому логичнее изучать законы эволюции природы единым языком. Образно выражаясь, науки сейчас разлились на множество рек. Каждая из речушек – узкая специализация даже внутри самих наук. Как же тогда быть с единением культур? Как устранить пропасть между ними? В то же время идет и другой процесс объединения дисциплин, ведущих к новому целостному видению Мира. Это крайне важно. Истоки европейской цивилизации лежат в античной Греции с их уникальной культурой, унаследованной, по некоторым источникам, от атлантов. У древних греков было цельное миропонимание: существует Космос, Небо с богами и Земля с людьми. И все это едино. У них боги могли пьянствовать, прелюбодействовать, как и люди, могли общаться между собой и с людьми. Мощное влияние античности простирается и на средние века. Так учение Аристотеля о единстве духовного, живого и неживого господствовало полторы тысячи лет. Далее уже Джордано Бруно, Галилей и Ньютон дали Миру научный метод исследования: на основе законов Ньютона по заданной силе, начальному положению центра масс те6 ла и скорости его можно описать последующее движение этого тела (или системы тел), то есть его эволюцию. Таким образом, единый аристотелевский Мир распался. Человек выпал из него и обособился. Это увидел Эммануил Кант: противоречие между миром детерминистской физики (её законами) и неограниченной духовностью. Наполеон, прочтя книгу Лапласа об устройстве миропорядка, спросил его о том, где же у него место для Бога. А Лаплас ответил, что это гипотеза ему не понадобилась. Следовательно, единство миропонимания осталось только в религиях. Естествознание очень бурно развивалось от века Ньютона (17 век) до века Дарвина (19 век). Триада Дарвина: наследственность, изменчивость и отбор – стала основой нового языка, объединяющего все этажи познания от физики до социологии. Но теория Дарвина противоречила второму началу термодинамики о росте энтропии в замкнутой системе (выравнивание температуры). Энтропия – мера хаоса, потеря организованности. Но по Дарвину, наоборот, происходит усложнение организмов, прирост их разнообразия – закон цефализации. Точные науки (физика, математика) и естественные (биология и пр.) также размежевались. Общественные дисциплины отделились от естественных наук и друг от друга. В естествознании стали доминировать причинные объяснения. В общественных науках тоже пытались ввести какие-либо общие законы, но без особого успеха. Одни исследователи считали гуманитарные законы слишком простыми, другие – наоборот чересчур сложными и недоступными для понимания, третьи призывали обращаться к телеологическим объяснениям, опирающимся на раскрытие целей, мотивов и намерений людей, и они лежали в основе классической логики Аристотеля. В истории и сейчас ещё есть сторонники этого метода понимания событий на Олимпе, связанных с истолкованием их для людей с помощью бога Гермеса – это герменевтический метод. Естественно, это весьма ограниченный метод. При интерпретации исторических событий учитывается опыт предыдущих поколений, используется он и для прогнозирования событий. В социологии есть тезис «знать, чтобы предвидеть», но в вероятностном смысле. Однако события здесь принципиально непредсказуемые (недетерминированные). Это уже не ньютоновский детерминизм. В социологии законы полуэмпирические. Здесь велик субъективный фактор, то есть эти прогнозы вероятностны в зависимости от очень многих факторов. Русские философы И. Киреевский, В. Соловьев, Н. Федоров, П. Флоренский, Н. Лосский, а также писатели Л. Толстой, Ф. Достоевский были активными противниками размежевания наук. Они считали, что Человек – часть природы и всё надо рассматривать в единстве. Были и космисты, полагающие, что мысль, сознание – такая же принадлежность природы, как звёзды, галактики, микробы и так далее. Аналогично высказывался физиолог И. Сеченов. Таким образом, на смену исследовательской парадигме пришло понимание того, что Человек – активный фактор природы, а не посторонний наблюдатель и хроник. Связывающим звеном человека с природой является ноосфера Вернадского. Последний считал, что феномен жизни – естественный этап развития материи (книга «Биогеохимия»). Пленка жизни, возникающая на планете, по его мнению, ускоряет все процессы ее эволюции за счет способности поглощать и утилизировать энергию Космоса, в первую очередь Солнца, и преобразовать с ее помощью веще7 ство. «Воздействие человека на природу столь быстро растет, что скоро (1930) превратится в основную геолого-преобразующую силу». При такой концепции человек уже ответственен за будущее развитие природы. Биосфера (очень скоро и мучительно) перейдет в сферу разума – ноосферу. Тогда развитие планеты будет направляться силой разума. Конечной стадией развития является то, что описано у Ст. Лема в его «Солярисе». Процесс перехода Биосферы в ноосферу будет сопровождаться выработкой новых принципов в поведении людей, новой нравственности, бытия, идеалов, стандартов. В наше время центральной становится проблема выживания Человечества как цивилизации. Речь идет хотя бы, например, о грядущем перенаселении Земли. В октябре 1999 года численность населения Земли достигла 6 млрд. человек и эта цифра отличается от предельной, которую Земля ещё способна прокормить, даже если не будет энергетического голода, лишь в единицы раз. Есть и энергетическая проблема: запасов нефти хватит ещё лет на 40–50 лет, угля – на 150–400 лет, урана 238 и тория для атомных электростанций на 500–550 лет. Конечно, есть ещё энергия приливов (приливные электростанции уже спроектированы и имеется возможность России и США изготовить такую станцию в Беринговом проливе между Азией и Америкой), энергия ветра, рек, энергия Солнца (гелиоустановки особенно в пустынях) и пр. Но все же эти источники ограниченные. Единственный пока что выход в разрешении энергетического кризиса Земли в следующем 500-летии – строительство глубоко под Землёй мощных термоядерных установок, преобразующих энергию, выделяющуюся при слиянии ядер трития и протия, дейтерия в ядра гелия (это сверхтяжёлый и тяжелый изотоп водорода). В запасах океанской воды (её всего на Земле 1,41024 грамм) содержится 2,21020 грамм тяжелого водорода, что соответствует энерговыделению, равному сжиганию 2,21021 тонн угля, а из дейтерия можно получить энергию 4,41031 Джоулей. Эта энергия соответствует запасам 1700 мировых океанов нефти. Если учесть, что Солнце посылает на Землю ежесекундно 161016 Дж, то этой энергии хватило бы землянам на 0,251015 секунд или на 2,5107 лет. Но для этого нужно сделать термоядерный синтез управляемым. Когда эта проблема будет решена, то альтернативы АЭС не будет. Экологичными (почти на 100%) станут электромобили, использующие аккумуляторы, заряжающиеся от АЭС. Опять-таки для этого необходимо создать емкие и миниатюрные аккумуляторы. Существуют и множество других проблем, ждущих своего решения. Таким образом, нужно кроме всего прочего обеспечить коэволюцию Биосферы и Человека, только в этом случае можно обеспечить прогрессивное развитие человечества. А ему предстоит ещё решение многих проблем, и ответить на многочисленные вопросы, задаваемые самой природой. Придется когда-то узнать и о том, было ли существование человека заложено в зародыше Вселенной? Был ли код в самом начале возникновения Вселенной, который содержал бы всю информацию о её последующем развитии? Достижения общечеловеческой культуры в настоящее время позволяют представить современную естественнонаучную картину Мира в виде многоуровневой организации материи. Такие уровни организации материи как Вселенная, Галактика, Звездная система, Планеты – Мегамир – изучают Космология, Астрономия и соответственно Геология. Их развитие описывают Космическая и Геологическая эволюции. Точно 8 также Биосфера, Сообщество, Популяция, Вид, Индивидуум и Макромир – изучается Генетикой, Химией, Физикой и описываются Химической и Физической эволюцией. Кварки и другие ещё неизвестные субэлементарные частицы – Субмикромир – область физики будущего. 1.2 Научный метод познания действительности. Его цель – познание истины и способы её достижени я: моделирование явлений и его роль в сочетан ии с использованием математики. О научной работе, её этапах, итогах и о диалектич еской спирали познания Научный метод познания природы проще всего изложить на примере рассмотрения его в физике, как наиболее научной, наряду с математикой, дисциплине. В основе физики лежит опыт, если же явление нельзя воспроизвести в лабораторных условиях – тогда довольствуются наблюдением природных явлений. Из множества накапливаемых фактов ищут повторяющиеся характерные. Далее устанавливают закономерности, обобщая их, анализируя и опуская второстепенные признаки. Так, в частности, возникают гипотезы. Если же удаётся объединять отдельные стороны явлений в целостную картину, то говорят, что синтезировали эту информацию. Обобщение широкой области явлений называют законом или принципом. Таковыми являются законы механики Ньютона, электромагнитной индукции Фарадея и другие. Открытие законов проходило сложным и тернистым путем, за редкими исключениями. При установлении законов колоссальна роль отвлечения от второстепенного и выделения главного – абстрагирование. Именно в этом суть метода математического моделирования в исследовании физических явлений. Например, Аристотель сказал, что тело, приведенное в движение все-таки остановится. Галилей усомнился в этом и, отсекая второстепенное, пришел к принципу инерции: тело сохраняет равномерное прямолинейное движение при отсутствии силы, действующей на него. Иногда принцип или закон становится генератором новых идей. Так было с частицей позитрон, которую П. Дирак открыл теоретически, а затем её обнаружили на опыте. На установлении законов поиск истины не останавливается. Некоторая их совокупность может дать жизнь теории. Выводы, следующие из неё, далее досконально проверяются и уточняются. Суть так называемой диалектической спирали познания формулируется так: в начале эксперимент, затем его логическая обработка, интуитивное обобщение, формулирование закона, и, наконец, изучение следствий из него, а затем нацеливание на новые опыты, новая логическая обработка и т.д. Эти законы чаще всего нельзя предсказывать логическим путем. Например, законы сохранения энергии и импульса стали подвергать сомнению после открытия альфа-распада радиоактивных ядер. Когда же допустили, что в этой реакции должна рождаться ещё одна частица нейтрино – законы сохранения восторжествовали. Уровень развития науки сейчас настолько высок, что четыре, так называемых вида фундаментальных взаимодействий, почти удалось объединить в один - возможно, это суперобъединение, из которого они, как частный случай, вытекают из законов симметрии. Уже замечено, что чем ближе мы подходим к некоторой истине, тем проще оказываются основные законы, её выражающие, и тем 9 меньше их число. Получается так, что Природа любит простоту, красоту, но не любит излишеств. В процессе познания математика выступает в качестве его инструмента. Для неё характерно применение моделей, их проще описать количественно. Однако, например, законы психологии уже не удается записать количественно, так как нет четких соответствующих моделей. Примером моделей, весьма плодотворных, является понятие о материальной точке, идеальном газе – это абстракции, которых в природе вообще не существует. Математика формулой объединяет самые разнородные явления, она даёт высочайший уровень абстракции и обобщения. Тем не менее математика – «падчерица физики», хотя и «царица наук». Она, по Гексли, как мельница перемалывает все, что в неё засыпали. По Гиббсу математика – язык для физики ёмкий, четкий и образный. Именно для производства расчетов движения небесных тел с использованием своих законов Ньютону пришлось разработать математический аппарат (независимо от Лейбница), позволяющий, например, точно рассчитывать солнечные затмения - это дифференциальное и интегральное исчисления. Математика решает прямые и обратные задачи. В одной из них, например, по заданным траекториям движения тела восстанавливают силу, предопределяющую эту траекторию, а в другой, наоборот, по силе и начальной скорости и местоположению определяют траекторию движения. Если результаты на основе данной модели плохо согласуются с опытом, то применяя ЭВМ и подбирая другие граничные условия, добиваются уточнением модели лучшего согласия с опытом. После этого модель считается адекватной опыту. Используя вычислительную математику и ЭВМ, можно объединить в этом синтезе все сильные стороны человеческого ума и мощи ЭВМ. Заложив модель в суперкомпьютер и систему взаимосвязей, например, между населением, сельскохозяйственным производством, промышленными, естественными ресурсами, окружающей средой, пришли в результате обработки всей это информации к следующему выводу для всей Земли. Если темпы и тенденции роста всех этих показателей, начиная с 1900 года, сохранятся, то в самом ближайшем будущем, по данным так называемого Римского клуба (объединяющего сотни ученых самых разных специальностей), на Земле ожидается внезапный (наиболее вероятный) спад народонаселения и производственных мощностей. Эта глобальная модель дает достаточно убедительные выводы. Речь здесь идет о ближайших десятках, а не сотен лет. Чтобы избежать этого глобального кризиса нашей цивилизации, нужен коренной пересмотр всех существующих тенденций мирового развития. Рассмотрим устойчивость биосферы Земли, для которой можно говорить о некоторых критических нагрузках. Так вот, если эти нагрузки на Биосферу выше критических, она теряет устойчивость и наша система – Земля выходит на режим пересечения нескольких возможных путей её дальнейшего развития. Тогда допустимой становится целая совокупность новых состояний. Точка, в которой эволюционная траектория разветвляется, называется точкой бифуркации. Предсказать же какая из возможных эволюционных траекторий осуществится – невозможно. Выбор системой (Биосферой) какой-либо конкретной траектории зависит от случайных внешних воздействий на систему, в том числе даже самых незначительных, подобно тому, как крик в горах вызывает снежную лавину. Бифуркационные 10 механизмы в поведении таких систем изучает теория катастроф. В настоящее время имеются признаки потери устойчивости Биосферы Земли. Например, уменьшение генетического разнообразия животного и растительного мира. Потеря любого генотипа это безвозвратная утрата информации. Многие виды растений и животных исчезли. Оказалось, что уничтожить жизнь на Земле человеку достаточно легко. Для этого достаточно несколько взрывов мегатонных ядерных бомб произвести одновременно. Это приведет к «ядерной зиме», то есть к резкому похолоданию, но такому сильному, что все живое на Земле вымерзнет. Поэтому, чтобы погасить факел жизни достаточно арсенала одной атомной подводной лодки. Когда Биосфера, как нелинейная система, станет нестабильной, начинается её необратимый переход в некое состояние, но какое – мы не знаем. Параметры этого состояния, вероятнее всего, не подойдут для продолжения жизни. Переход в это состояние, как показывают оценки, происходит со скоростью растущей во времени по экспоненциальному закону (~еt). Когда же приближение точки бифуркации увидят даже скептики, предотвратить грядущий кризис уже не удастся. Таким образом, проблема стабильности Биосферы – важнейшая для человечества. Конечно, в точках бифуркации законы природы по-прежнему действуют, а их изучает физика. Поэтому, последняя может сейчас многое сказать о глубинной сущности и других, идущих сейчас кризисных процессах. Это как раз подтверждают законы термодинамики неравновесных процессов для открытых систем. Создателем этой части физики, во многом перевернувшей наше миропонимание, является Илья Пригожин. 2 КОРПУСКУЛЯРНАЯ И КОНТИНУАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ 2.1 Вещество как систем а частиц на примере идеального газа и основное уравнение для него как триумф ньютоно вской механики. Проблема движения, как изменения вообще, по Энгельсу, тысячелетиями интересовала человечество. В первую очередь это относится к механическому движению, когда непротиворечивым является подход, при котором тело и находится и не находится одновременно в данной точке (апории Зенона о черепахе). Аристотель считал, что тело остановится, если действие силы на него прекратится. Галилей опроверг это и заложил начала физики. Именно не скорость, а её изменение для тела является показателем того, действует на него сила или нет. По Ньютону скорость изменения импульса во времени и есть сила F dp / dt d(m) / dt , где m – масса, p m – импульс тела, F – вектор силы. При написании этого закона использована абстракция – материальная точка. Оказалось, что законы Ньютона дают механистическую концепцию, объясняющую все виды движения. Так же и на основе механики Ньютона в 17–19 веках удалось понять, что такое теплота. 11 Переход к описанию ансамбля молекул (их системы) из 10 22–1025 штук на основе законов Ньютона вызывал трудности и поэтому потребовался синтез законов классической механики и законов теории вероятностей для установления законов в статистических системах – газах, отражающих связь одновременного действия супербольшого числа частиц – молекул на измерительный прибор. Это типичный пример перехода количества в качество. Если взять идеальный газ, то для его молекул можно считать, что одна треть всех молекул в кубе с ребром "" движется вдоль оси "х", другая вдоль оси "y", а третья – вдоль "z". При ударе одной молекулы о стенку "yz" импульс её изменяется на величину p 2mx за время в среднем (от удара до удара) t 2 / x Тогда сила, действующая со стороны одной молекулы на эту стенку, по второму закону Ньютона равна: f x 2m x / t m 2x / Среднее давление всех молекул на эту стенку: (m 2x / s ) N / 3 (2 / 3) (m 2x / 2) N / V где S =2 – площадь стенки, а объем V=S·. Вводя концентрацию молекул n = N/V, получаем для давления молекул значение p = (2/3) n Ek, где Ek – средняя кинетическая энергия одной молекулы. Из уравнения объединенного газового закона pV=(M/)·R·T, где M и – масса и молярная масса газа, R=8,31 Дж/Кмоль – универсальная газовая постоянная, тогда получим Ek (3 / 2 ) kT , где k=R/Na, где Na=6,02·1023 1/моль – число Авогадро. То есть механистическая концепция дает понятие температуры как меры среднего значения кинетической энергии молекул. Тогда теплота – кинетическая энергия хаотического движения молекул. Джоуль установил, что теплота в 1 ккал (чтобы нагреть 1 кг воды на 1о С) соответствует энергии выделяющейся при падении груза в 427 кг с высоты 1 м. Поскольку 1ккал = 427 Дж., то и энергия, и теплота измеряются в одних и тех же единицах. Значит, механистическая концепция обосновала основополагающие газовые законы. Рассмотрим истоки механистической концепции с античных времен, когда появились первые представления об атомизме и «стихиях» (огонь, вода, земля и воздух) в 5-6 веках до н.э. в Греции. Тогда же возникла «атомистика» Демокрита (460-370 гг. до новой эры). По его представлениям: 1. Вся Вселенная состоит из мельчайших частиц-атомов и незаполненного ими пространства – пустоты, без которой невозможно перемещение частиц; 2. Атомы неуничтожимы, а потому Вселенная вечна; 3. Атомы – абсолютно неделимые (кирпичики мироздания); 4. Атомы постоянно движутся; 5. Атомы различаются размерами и формой. Их малость делает не воспринимаемыми органами чувств; 6. Все предметы образуются из различных сочетаний атомов. 12 Эпикур (324-270гг. до н.э.) пытался найти внутренние истоки жизни атомов. Далее Лукреций Кар (1 век до н.э.) в книге «О природе вещей» развил атомизм. Но учение Аристотеля затем вытеснило насильственно античный атомизм. Ньютон возродил его и ввел понятие о «корпускулах света». Ломоносов был у истоков кинетической теории вещества, основанной на атомизме. И лишь в 1808 году Дальтон признал существование атомов, Джоуль возродил идеи Ломоносова, не зная о его работах. В 1856 году Крениг подошел к выводу основного уравнения молекулярнокинетической теории p (2 / 3) n E k . В 1857 году Клаузиус дал ясное изложение молекулярно-кинетического подхода, а в 1860 году Максвелл на основе статистики получил распределение молекул по скоростям теплового движения и завершил создание фундамента статистической физики. Использование на практике тепловой энергии началось гораздо раньше: в 1763 году Ползунов создал машину использующую энергию пара, Уатт её позже усовершенствовал. Пришла промышленная революция. Черепанов изобрёл паровоз, Фултон – пароход. Массовое сжигание лесов привело к возникновению кислотных дождей – первых признаков экологической катастрофы, как негативной стороны развития цивилизации. 2.2 Вещество как сплошная среда (континуальное опис ание) на примере волновых и гидродинамических я влений. В жидких и твердых телах расстояние между атомами и молекулами становится соизмеримым с их размерами. В этом случае их можно приближенно считать сплошной средой, либо одномерной (струна), либо двумерной (мембрана, пленка), либо трехмерной – твёрдое тело, жидкость. При отклонении струны, например, от положения равновесия она приходит в колебательное движение с характерным повторением этого процесса в пространстве и времени. Для пружинного маятника, если записать закон Ньютона ma =-kx, где а = x (вторая производная по времени) – ускорение, х – отклонение маятника от положения равновесия, kх – упругая сила, то получим частоту его колебаний = k / m , где k – коэффициент жесткости пружины. Закон колебаний тела будет иметь вид: x A sin(t ) , где А – максимальное отклонение (амплитуда колебания) t – время колебательного процесса, – начальная фаза колебания. Если учесть реально действующие силы сопротивления, то колебания станут затухающими, а амплитуда A A0 e t , где – коэффициент затухания. В сплошной среде возникают упругие волны из-за взаимодействия частиц в ней. Они характеризуются длиной волны T где период колебания Т = 1/ =2 /, – скорость распространения волны. Эти волны могут быть и стоячими, если на длине, например, гитарной струны l, укладывается целое число стоячих волн с длиной c / 2 , то есть при l = n/2, где n – целое число. Они образуются в ограниченной среде за счет наложения бегу13 щих (первичных) и отраженных от её границы волн. В точках закрепления (струны) колебаний нет. Это узлы. Но есть в стоячей волне и такие точки, в которых амплитуда колебаний максимальна – пучности. Приятный звук по Пифагору имеет кратные гармоники (n = 1, 2, 3, 4...), но у колокольчика такого звука нет. Стоячие волны используются и в квантовой теории. Так де-Бройль считал, что всякому движению частицы с импульсом m сопутствует некий волновой процесс с длиной волны = h / m где постоянная Планка h = 6.6210-34 Джс. И если в длине орбиты электрона укладывается целое число длин волн, то эта орбита стационарная при 2 r = n, где r – радиус орбиты. Эта же концепция имеет место и для нуклонов в ядрах атомов. Частным случаем сплошной среды является идеальная жидкость, в которой можно пренебречь силами трения. Когда она течет по трубе, частицы её движутся со скоростью , образуя линии тока. Для идеальной жидкости сумма статического, гидростатического и динамического давлений (р+ g h+ 2/2) не меняется. Здесь – плотность жидкости. Условием неразрывности струи является равенство для любых двух сечений S1 1 S 2 2 . В вязких жидкостях появляется перепад давлений. Из-за него в ней возникают завихрения – турбулентности. Есть они и в некоторых областях Вселенной – вихревые галактики. В таких структурах И. Пригожин усматривает некоторый процесс самоорганизации. Неустановившаяся турбулентность - это хаотическое движение жидкости (или частиц). Но в хаосе есть свой порядок: в нем непрерывно возникают и исчезают разнообразные вихри. Описать их в деталях пока не удается даже с помощью вычислительной мощи компьютера. Причина этого в неустойчивости этих процессов: два очень близких состояния могут порождать самые разнообразные траектории развития. Предсказать какая из этих траекторий реализуется в принципе невозможно. Это же характерно и для любых сложных систем, в том числе и для всего мирового процесса развития. Процессы самоорганизации в сложных системах приводят к колоссальному разнообразию форм организации материи (закон дивергенции). Причем материальный мир эволюционирует (развивается) так, что эта эволюция носит направленный характер, т.е. сопровождается непременно усложнением материальных форм. Но это противоречит второму началу термодинамики (для замкнутых систем). По Вернадскому на определённой стадии «турбулентного» развития Вселенной в ней возникает жизнь как космическое явление, а не только земное. Причём жизнь, по-видимому, отвечает наиболее сложной форме организации материи. 3 3.1 ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ. Фазовая вертикаль (агрегатные состояния вещес тва): газ, жидкость, твердое тело, плазма, вакуум . Принято считать, что материя в форме вещества, которая может двигаться только со скоростью меньше скорости света в вакууме, может находиться в твердом, жидком, газообразном состоянии. Четвертое состояние вещества – это плазма. 14 То, в каком состоянии находится вещество, зависит от температуры и давления. Если тепловая энергия kТ, где k = 1,3810-23 Дж/К, больше энергии взаимодействия атомов или молекул, то это будет газ. Если эти энергии соизмеримы – будет жидкое состояние, а при kТ меньше энергии взаимодействия получают твердое состояние. В свою очередь твердое состояние может быть аморфным и кристаллическим. В первом случае нет так называемого дальнего порядка в расположении атомов, есть лишь некоторый ближний порядок. В кристаллах атомы «правильно» располагаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях (если симметрия кубическая) и образуют кристаллическую решетку. При этом атомы можно представлять в виде шариков, соприкасающихся друг с другом. Кристаллическая решетка обладает различными видами симметрии. Симметрия – это свойство решётки совпадать с самой собой при некоторых пространственных её перемещениях. Все кристаллы делят на 7 кристаллических систем. Самая низкая симметрия у триклинной системы, где базисные оси а b с, вдоль которых расположены атомы, а углы между ними . Самая высокая симметрия у кубической решетки: а = b = с, = = = 90. В жидкостях (промежуточное состояние между газом и твердым состоянием) атомы, молекулы могут относительно свободно перемещаться, хотя основное время атомы проводят в оседлом состоянии, лишь изредка перемещаются в другую позицию. Встречаются и жидкие кристаллы, где существует почти дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение атомов в пределах значительного объема. При перескакивании атомов из одной позиции в другую происходит диффузия – перемещение атомов по объёму жидкости. Существуют и аморфные твердые тела, далекие от состояния термодинамического равновесия с хаотичным расположением атомов. Плазма – это почти нейтральный в смысле электрического заряда ионизированный газ. Считают плазму идеальной, если тепловая энергия на атом kТ немного превышает потенциальную энергию их взаимодействия для среднего в ней расстояния между атомами (ионами). Для неё, как и для идеального газа, давление p = n kT, где n – число ионов в единице объема плазмы. В плазме происходит ионизация термическая (за счет энергии kТ), ударная (заряженными частицами), фотоионизация – за счет электромагнитного излучения. Плазма сильно взаимодействует с электрическими и магнитными полями. У неё есть ряд специфических особенностей (продольные колебания зарядов), она диамагнитна и т.д. Это наиболее распространенное состояние вещества во Веленной. Из неё полностью состоит Солнце и звезды. Их основной источник излучения – термоядерный синтез при температурах 107–109 К. Туманности и межзвездная среда это низкотемпературная плазма. Вблизи Земли в радиационных поясах также есть плазма. Она находит применение и на практике: служит рабочим телом в плазменных ракетных двигателях и МГДгенераторах, вырабатывающих электрический ток, с её помощью надеются термоядерный синтез сделать управляемым. Тогда энергетическая проблема для Земли была бы снята, как мы уже говорили об этом. 3.2 Хаос теплового движения. Влияние этой концепции на развитие представлений о веществе. Пор ядок из хаоса. 15 С некоторых пор ряд понятий из физики стал общезначимым. К ним в первую очередь можно отнести «турбулентность». Есть основополагающие вопросы или представления (по Вернадскому) о Космосе, которые стали затрагивать специалистов из разных областей знаний. Точно также и «хаос» стал синонимом отсутствия порядка. Однако он стал обретать структуру, как физический вакуум, считавшийся синонимом «ничего». Эти понятия Пригожин применил к идее самоорганизации. Есть процессы в изолированных системах, ведущие к равновесному состоянию, отвечающему максимальной неупорядоченности, то есть хаосу. Это следует ещё из работ Больцмана и Гиббса, показавших, что энтропия служит мерой неупорядоченности, или хаоса системы. Её аналог в общественной жизни – правила поведения. Их соблюдение поддерживает порядок в обществе. Если нет знания – нет порядка в фактах – это хаос. Для записи выражения закона – порядка изобрели число, письменность и язык. Знания тщательно хранились, например, жрецами в древнем Египте, символизируя власть над природой и людьми. Галилей и Ньютон установили три закона динамики и закон всемирного тяготения. Для извлечения количественных следствий из них Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисление. Пространство и время у него наделялись свойствами, в которых проявлялось движение. Можно сказать, что Ньютон открыл, что в природе существует порядок, который человек может познать. Оказывается, порядок есть и в случайности. С последними люди сталкивались и в обычной жизни, например, при игре в карты, кости и так далее. В них везде торжествовал случай. Математики заинтересовались, почему наживаются владельцы казино, ведь при бросании монеты можно ожидать события с разным исходом? Но во множестве событий можно установить вероятность интересующего нас события, которая определяется отношением числа «выпавших» интересующих нас событий к числу испытаний при числе испытаний, стремящемуся к бесконечности. Работами Максвелла с использованием понятия вероятность была создана статистическая физика. С её помощью удалось точно вычислять макропараметры системы (давление, температуру и так далее), хотя при этом изначально идет речь об исчезающе малых объектах – атомах или молекулах. Математика подводит нас к тому, что хаос оборачивается порядком. В этой статистической механике было создано позже две статистики: с целым спином (Бозе–Эйнштейна) и с полуцелым (Ферми–Дирака). Итак, мы приходим к выводу, что случайность в единичном дает порядок при множественном проявлении единичности. Таким образом, повторение случайности – закономерность. Как говорят, мир человека возник из хаоса и обломков, он хрупок и рискует снова обратиться в ничто. Возникший мир отмечен печатью неустранимой неопределенности, а потому закон для хаоса требует глубокого его изучения. В отличие от Больцмана и Гиббса, Пригожин в своей книге «Порядок из хаоса» разработал вопросы термодинамики неравновесных процессов в открытых системах. В ней акцентируется внимание на изучение разупорядоченности и нелинейных явлений, в которых малый сигнал (возмущение) на входе системы может вызывать сколь угодно сильный отклик на её выходе. Следовательно, хаос может обрести порядок. Это значит, что возможно спонтанное возникновение порядка и организации из беспо16 рядка и хаоса. Это и есть самоорганизация. При этом энтропия выступает как прародительница порядка. Типичный пример имеет место, когда в подогреваемых жидкостях, начиная с некоторых значений перепадов температуры, образуются почти идеальные соты шестиугольных ячеек Бенара. То же самое происходит в газоразрядной трубке лазера, где при некотором критическом значении электрического поля достигается скачком упорядоченное состояние: излучение становится поляризованным и когерентным. Во всех наблюдающихся процессах односторонность хода времени (его необратимость) играет важнейшую роль, как это следует по Клаузиусу из второго начала термодинамики. В изолированных системах энтропия монотонно возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия, то есть её изменение S 0. Энтропия выступает в роли тени энергии – царицы природы. В идеальных машинах с обратимыми процессами Sид = 0. В реальных же S = Sид + Sнеоб. Причём, здесь dSнеоб 0. Энтропия – показатель эволюции или стрела времени: для изолированных систем будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Каждое макросостояние системы характеризуется числом способов Р, которым оно может быть достигнуто, то есть числом микросостояний. По Больцману энтропия S = k lnP, где Р = Р1Р2Р3... Рn, k = 1,3810-23 Дж/К – постоянная Больцмана. То есть необратимое изменение есть изменение в сторону более вероятного состояния и это состояние – аттрактор – есть макросостояние, отвечающее максимальной вероятности системы. Тогда начальные условия забываются системой. Как бы система ни эволюционировала, она перейдет в одно из тех микросостояний, которым отвечает макросостояние хаоса и максимальной симметрии. Все это обобщено и на случай открытых систем, где ситуация более сложная. В замкнутой системе равновесие соответствует минимуму свободной энергии F = U - TS, где U – внутренняя энергия системы и равновесие есть результат конкуренции между U и TS. При малых температурах равновесие определяется минимумом внутренней энергии (для металлов и кристаллов). При высоких температурах доминирует хаос. Экстремумы S и F задают состояние системы (её аттрактор). Именно в это состояние самопроизвольно стремится система. 4. ТЕОРИЯ ХАОСА И ПОРЯДКА. 4.1 Философия нестабильности, бифуркации . Мы уже говорили о том, что хаотические отступления от ньютоновского детерминизма вначале казались недоразумением, либо погрешностями опыта. Но оказалось, что реальная необратимость процессов (по Ньютону и Лапласу этого не должно быть) и есть причина отступлений от механистического описания явлений. Мы говорили о тепловом хаосе и о Максвелле – создателе статистической механики. С одной стороны теория Максвелла-Фарадея описывает обратимые процессы, а реальность (выравнивание температур в изолированной системе) убеждает в другом. Хаотичным оказалось и излучение. Но даже в классической механике (Ньютона, Лагранжа, Мопертюи) ещё Пуанкаре в задаче трех тел обнаружил, что фазовые траектории точек (рис.1) – это «ткани» с бесконечно тесными нитями. При этом ни 17 одна из траекторий никогда не пересекает себя! То есть уже в задаче трех тел – фактическая необратимость. Гейзенберг пришел к выводу, что при эволюционировании системы на малых отрезках времени неопределенность состояния увеличивается медленно, а на больших – сильно. Более того, и в простых ньютоновских системах возникают случайные явления, от которых не избавиться уточнением начальных условий и учетом внешних воздействий на них. Система здесь подчиняется детерминистским законам, а совершает хаотические движения. Здесь, оказывается, нет устойчивости решения задачи (карандаш не будет стоять вертикально на острие и так далее). Хаотические движения удобно анализировать, используя понятие фазового пространства (для движения, например, вдоль прямой по осям фазового пространства откладывают координату и скорость точки). Например, сравним траекторию в фазовом пространстве маятника (одномерное движение с изменением координа1 ты – угла отклонения) без затухания (рис. 1а) и с затуханием (рис. 1б). В последнем случае фазовая траектория оказывается в начале координат (состояние покоя), отвечающем положению равновесия. Эта точка – аттрактор – обобщенное понятие равновесия. При хаотическом движении фазовые траектории с близкими начальными параметрами быстро расходятся, а потом хаотически «перемешиваются». Так создаются складки. Такая область фазового пространства со складками называется странным аттрактором (с перескоками из одной области в другую, рис.2). Но эти складки возможны только в фазовом пространстве трехмерном и выше. У странных аттракторов есть фракталы – объекты, проявляющие по мере увеличения их изображения все большее число деталей. Таковыми являются коллоиды, отложения металла на электродах при электролизе, клеточные популяции. При электролизе слой меди (для шарика) растет не пропорционально кубу расстояния, а по степенному закону с показателем 2,4. Хаос порождает фракталы, а фазовая траектория обладает для фракталов самоподобием, то есть при выделении двух близких точек на фазовой траек2 тории фрактала и последующим увеличением масштаба траектория между этими точками наблюдается такой же хаотичной, как и вся она в целом. 18 4.2 Диалектика катастроф. Порядок и хаос в макросистемах. Все самоорганизующиеся процессы имеют пороговый характер. Так, при малых скоростях течения вязкой жидкости флуктуации затухают и рассасываются. А выше порога – уже не рассасываются, достигая макромасштабов, выводя систему на новый устойчивый режим, но с новой структурой. Это уже описывается нелинейными уравнениями для системы вдали от равновесия (с несколькими решениями). Катастрофа – это скачкообразное изменение параметров в ответ на малые изменения внешних условий (потеря устойчивости). Теория катастроф это обобщение теории поиска экстремумов (минимумов и максимумов) на случай многих переменных. Она опирается на теорию гладких функций. У истоков ее были Пуанкаре, Ляпунов, Андронов (бифуркации), Понтрягин (ввел понятие грубости – структурной устойчивости структуры). Эта теория нашла многие применения, в том числе при исследовании биений сердца, а так же в геометрической оптике, лингвистике, геологии, гидродинамике, моделировании деятельности головного мозга и психических расстройств, политике, цензуры, в теории элементарных частиц и так далее. Эта теория – переворот в математике и физике. Считают, что она гораздо ценнее и информативнее, чем, например, математический анализ. Она даёт, как частный случай, и теорию всех плавных процессов и позволяет свести множество сложных ситуаций к небольшому числу изученных схем, ибо глобальная природа всех явлений, по-видимому, едина. 4.3 Количественные законы эволюции. Теория катастроф описывает области устойчивости структур, а развертка статистических закономерностей во времени описывается теорией бифуркаций, – теорией удвоения, или ветвления. Речь идет о нелинейных системах, которые имеют ряд решений. При этом нужно найти, какие именно из них ответвляются от известного решения при изменении параметров. Управляющими параметрами можно вызвать катастрофические скачки состояний системы. Последовательность бифуркаций, возникающая при углублении неравновесности в этой системе, меняется и процесс может идти по разным сценариям. Классической иллюстрацией перехода к Рис.3 Зависимость стационархаосу является картина роста популяции насеной численности популяции от комых на изолированном острове. Летом выпараметра скорости роста. водятся насекомые численностью Х j и откладывают яйца. На следующий год их станет Х j+1. Это число зависит линейно от Х j и от (1– Х j) (насекомые двух полов), а также от некоторого параметра скорости роста – С. При С < 1 и увеличении j (номер года) популяция вымирает. При 1 < C < 3 ее численность приближается к значению Х = 1 – 1/С – это область стационарного состояния. 19 При 3 < C < 3,4 уже получается две ветви зависимости Х = Х(С) – 2 ветви решений и численность колеблется между ними (рис. 3). То есть существует диапазон значений параметра с упорядоченным и периодичным поведением системы. При этом вначале численность резко растет, откладывается много яиц. На следующий год появляется перенаселенность, резко снижается численность в следующем году. Поэтому период колебаний численности насекомых равен 2 годам. При 3,4 < C < 3,54 – уже 4 ветви (четырех-стадийный цикл колебаний) – период удваивается и так далее. Фейгенбаум (1978) нашел универсальный закон перехода к хаосу при удвоении периода. При С = 3,57 период стремится к бесконечности, поведение системы становится хаотичным, различные решения перекрываются. Расчеты на ЭВМ (смотрите рис. 4) становятся некорректными (когда даже решения начинают зависеть от случайных процессов в самой машине), решения для близких начальных условий оказываются далекими. Медленное изменение параметра приводит к затягиванию потери устойчивости, но затем система скачком переходит в (само-) автоколебательный режим (рис.4). 4.4 Теория самоорганизованной критичности. Большие системы из многих взаимодействующих элементов самоорганизуются и достигают критического состояния, в котором малейшие изменения в системе вызывают цепную реакцию и катастрофу. Поэтому была разработана теория метода самоорганизованной критичности. Расчленять такие системы на их элементы для их изучения бесперспективно. По этой теории глобальные характеристики системы не зависят от механизмов в подсистемах, а поэтому ее надо изучать как целое. Суть теории в том, что основные части системы эволюционируют естественным образом к критическому состоянию, в котором малое возмущение может вызывать цепную реакцию, способную повлиять на любое число элементов системы. Рис. 4 Затягивание потери устойчивости при В качестве примера рассмотрим динамической бифуркации бросание по одной песчинке на круглую подложку, когда, в конце концов, возникает лавина (цепная реакция). Она проходит и вновь процесс повторяется. При этом куча сохраняет свою крутизну и высоту. Математическая модель помогла понять, например, динамику землетрясений, процессы в экосистемах, турбулентность в жидкости. Бобров и Лебедкин (из Подмосковья) промоделировали землетрясения и сравнили модель с реальностью. Оказалось, что их модель объясняет эволюцию землетрясений и описывает распределение их эпицентров. Прогнозирование землетрясений – уже более сложная задача из-за зависимости результата от начальных условий и наличия событий, далеких от эпицентра 20 (например, бомбардировка НАТО в Югославии). Неопределенность начальных условий растет со временем по степенному закону, как в системах с развитым хаосом. В этом проявляется самоорганизованная критичность. В таких ситуациях прогнозы возможны. Например, если погода – явление хаотичное и 100 метеостанций дают прогноз на 2 дня, то 1000 станций могут обеспечить прогноз уже на 4 дня и так далее. Эта теория применима только к системам с сохраняющимся числом частиц. Флуктуации в обществе и экономике это примеры лавин в самоорганизованном критическом состоянии систем. В них лавины возможны и без внешних толчков. 4.5 Понятие о квантовом хаосе . Итак, в классическом нашем обычном макромире хаос в нелинейных системах играет доминирующую роль. В таком случае, если учесть ещё, что квантовая физика изначально вероятностна, то в микромире его проявление должно быть в значительно большей мере. Известен принцип соответствия Бора, согласно которому классическая физика – частный, предельный, случай проявления квантовых эффектов, когда размер системы превышает атомный. Оказывается (теорема Колмогорова–Арнольда– Мазера) структуры правильной формы при малых возмущениях выживают. По этой теореме можно определять возмущения, вызывающие хаотическое поведение регулярных систем. Например, движение электрона в атоме водорода иногда приРис. 5 Выделение чётких пиков из спектра обретает хаотичность. Без внешнего воздействия разрешенные значения энергий электрона в атоме при подводе ее извне все больше приближаются друг к другу, то есть растет размер атома и атом становится классической системой, в которой выполняются законы Ньютона. В сильном магнитном поле атом ведет себя хаотично. В этом случае ось симметрии ориентирована вдоль направления поля и электрон движется в двухмерной плоскости. Поэтому нет движения вокруг оси, но есть оно вдоль и поперек нее. Здесь можно, по Пуанкаре, использовать двухмерную плоскость и следить за точками, в которых траектория пересекает эту плоскость. Хаос в микромире проявляется в распределении уровней электронов атомов (их орбит) и влияет на волновую природу квантового мира. При возбуждении атома (при переходе электронов на далекие от ядра уровни, или орбиты) уровни энергии атома кажутся неупорядоченными. Фурье-анализ поз21 воляет выделить из спектра ряд отчетливых пиков, точно соответствующих классическим (боровским) периодическим орбитам электронов. Особенно интересна связь квантового хаоса и теории чисел. Например, значения чисел, обращающих дзетафункцию Римана в нуль, напоминают энергетический спектр атома (рис. 5). Почему так – неясно! Итак, идея молекулярного беспорядка ликвидировала различия в механистическом и статистическом описаниях. Идеи беспорядка появились и в классических науках, теории поля Максвелла и в гипотезе Планка, в небесной механике. Особенно развились они в квантовой теории. Далее установили, что случайные воздействия могут влиять и на динамические системы, доводя их до хаоса – это нелинейные колебательные системы. Их эволюцию прослеживают по фазовым траекториям. В них появляются аттракторы, отражающие стремление системы к равновесию. Область хаотических траекторий – странный аттрактор обнаруживает фрактальность, присущую многим явлениям. Пороговый характер самоорганизации отражен в понятии катастрофы, скачкообразном изменении параметров системы, вызванном плавными внешними воздействиями. Теория катастроф свела множества сложных случаев к небольшому набору уже исследованных схем. Она применима во всех областях знаний без исключения для систем, далеких от равновесия. Странные аттракторы обнаружили, по Фейгенбауму, законы перехода к хаосу, когда период, о котором говорилось (рис. 4 и 5), удваивается. Наличие законов перехода, когда точка бифуркации, в которой параметр меняется скачкообразно, позволяет назвать хаос детерминированным. По теории самоорганизованной критичности каждая часть большой системы переходит к своему критическому состоянию, в котором малые изменения параметров могут вызвать цепную реакцию. Оказалось, например, что земная кора находится в критическом состоянии (состояние «слабого хаоса», где возможны еще прогнозы). Это же можно сказать и о слабо возбужденных атомах (смотрите рис. 5). А вот при сильном возбуждении атомы (точнее электроны в них!) обнаруживают хаотическое поведение и, согласно принципу соответствия Бора, квантовая механика переходит в классическую, применяемую в предельном случае объектов с размерами больше атомных. 5 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ . 5.1 Масштабы пространства и времени . Если всё то, что нас окружает – материя, то пространство и время – формы её существования. Любое движение происходит в пространстве и времени. Но пространство и время космических масштабов отличается от таковых для мира элементарных частиц примерно в 1042 раз. По теории Фридмана оценки дают для Вселенной величины порядка 1026 м и 1010 лет это самые большие интервалы, обнаруженные астрономами. В микромире микроскопы, использующие корпускулярные свойства вещества, дают возможность различать объекты размерами ~10 –10 м – размеры атомов (ионный проектор). Ускорители, разгоняя электроны, позволяют с их помощью различать разме–18 ры 10 м – это уже детали строения нуклонов. Использование встречных пучков позволяет различать масштабы пространства до 10–22 м. 22 Физики сегодня утверждают о квантовании пространства и времени и по их теориям кванты (порции) пространства ~10 –33 см проявляют себя как целое (без частей). К этому пришли от идеи Планка о квантовании энергии фотонов (h). Но если есть квант пространства, то, поделив его на скорость света 3 108 м/с, мы получим квант времени равный 10–44 сек («хронон»). Таким образом, мы наблюдаем масштабы пространства от 1026 до 10-35 м, а времени от 1018 до 10–44 сек (для человека ~1 м и ~109 сек). Вселенная с момента Большого Взрыва возникла из «ничего» – вакуума. Это следует из экспериментального закона Хаббла (1929) о разбегании галактик с тем большей скоростью, чем дальше они от нас находятся и из факта обнаружения в 1963 г. реликтового излучения. Оно до сих пор существует с момента Большого Взрыва. Наше пространство, как это следует из законов Кулона и всемирного тяготения, является трехмерным. Вопрос же о том, каково оно было до Большого Взрыва и какие тогда протекали процессы, остается открытым, как и гипотеза о соприкасающихся мирах. Все имеющиеся данные убеждают нас, что Вселенная расширяется ~20 млрд. лет и что через ~100 триллионов лет ядерное топливо её сгорит, а Вселенная станет темной. Часть галактик, сжавшись, станет черными дырами. А по теории Великого объединения (один из вариантов космологии) через 32 10 –1035 лет протоны распадутся на лептоны (мю-мезоны, электроны и нейтрино) и фотоны, которые стабильны. За 10100 лет Вселенная по одной из моделей расширится на 10110 км. Похоже, что для последующего сжатия Вселенной массы в ней недостаточно. Вселенная однородна и изотропна. Из этого следуют законы сохранения. А вот время однородно и анизотропно (перенос начало его отсчета ничего не меняет), но не изотропно (почему-то?). Сейчас в «пустом» пространстве вакуум превращается в вещество с выделением энергии. Теория Фридмана согласуется с другими моделями космологии, однако она не отвечает на вопросы: почему скорость света с = 3108 м/с, заряд электрона е = 1,61019 Кл, постоянная Планка h = 6,6210-34 Джс. Для ответов на эти вопросы наших знаний о Мире недостаточно. При всем многообразии Мира свойства пространствавремени за редкими исключениями остаются неизменными. К примеру, в 1956 г. Ли и Янг показали, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым (четность в слабых взаимодействиях не сохраняется). К тому же мы верим, что видим себя в зеркало, но у нейтрино нет частицы, которая бы была её отражением. Кроме того, по распадам К-мезонов обнаружили, что нельзя не только противопоставлять правое левому, но и прошлое будущему, то есть распад К-мезонов необратим. В микромире могут нарушаться фундаментальные законы сохранения, а потому свойства пространства и времени относительны. 5.2 Принципы относительности. По Богомолову (1956) даже принцип причинности может нарушаться на расстояниях меньших размера протона. Когда скорость света будет превышена, то причина и следствие сольются. Наиболее общее определение пространства и времени – структура сосуществования и изменения всего материального в Мире. Ньютон считал время абсолютным, текущим неизменно, безотносительно к чему бы то ни было внешнему. Абсолютное время у него это то, к чему приближается относительное при улучшении наших измерений. Эйнштейн впервые изменил 23 все эти представления о времени в своей специальной и общей теориях относительности. Он предложил модель статической Вселенной, которую опровергли астрокосмолог Фридман и Ле-Метр, введя в модель Эйнштейна временные параметры. Их модель подтвердили Хаббл (разбегание галактик) и открытие реликтового излучения. В теории Эйнштейна предельная скорость равна скорости света в вакууме, то есть с = 299797 300000 км/с. Рассмотрим движение тела вдоль оси «Х» со скоростью с и вдоль «– X» направления с той же скоростью. При движение тела вдоль «Х» со скоростью V = с прямолинейно и равномерно ему соответствует на рис.6 прямая ОС, а вдоль оси «– X» – прямая ОА для t 0. При < с это уже будут линии ОС' и ОС". Очевидно, что движение тела разрешено только в области АОС, где c – это область абсолютного будущего по отношению к событию «О» (в любой инерциальной системе отсчёта). Для них «интервал» равен c 2 t 2 x 2 0 – времениподобный (причина и следствие в любой системе отсчета местами не меняются) и все события имеют место в области АОС (рис. 6) – будущее по отношению к событию «О». Аналогично в области ДОВ все события в прошлом относительно события «О». Для областей АОD и СОВ интервал c 2t 2 x 2 0 – пространственноподобный. В любой инерциальной системе отсчета событие «О» и любое событие из этой области происходят в разных местах пространства. Поэтому это области «абсолютно удаленные» по отношению к событию «О». Здесь понятия «одновременно», «раньше», «позже» – относительные. Для всякого события этой области есть такая система отсчета, где оно происходит позже события «О» и есть система отсчета – где раньше и где одновременно. Таким образом, в этих облаC" стях нет причинноследственных t,сек C’ связей и поэтому их называют абC солютно удаленными от нас. Итак, A вещество во Вселенной движется по времени подобным линиям в пространственно-временном конХ,км 0 тинууме. Эйнштейн первым понял, что ход времени зависит от выбора системы отсчета и время тоже поD В нятие относительное. Это следует Рис.6 из специальной теории относительности, в основе которой два постулата: 1. Во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково (а значит и скорость света одна и та же). У Галилея речь шла только о механических явлениях; 2. Чтобы не нарушался принцип причинности, то есть причина предшествовала следствию, необходимо, чтобы существовала предельная скорость распространения взаимодействий. Таковой оказалась скорость света (1905). Таким образом, законы Ньютона верны лишь при << c и получаются все они из теории относительности, когда c 0 . 24 Суть принципа относительности в том, что любую инерциальную систему можно выбрать в качестве неподвижной (ибо все они равноправны). Если взять систему K в качестве неподвижной (рис. 7), а K – движущейся вдоль оси «Х» со скоростью , тогда из постулатов Эйнштейна следует, что штрихованные ( x, y, z, t ) и не штрихованные координаты связаны между собой преобразованиями Лоренца: U Рис.7 x ' x t 1 2 c 2 , y y, z z, t t x c 2 1 2 c 2 Здесь можно говорить лишь о взаимосвязанных неразрывно пространствевремени. Отсюда далее получается, что масса движущегося тела m( ) и масса этого же тела, но находящегося относительно наблюдателя в покое m0 связаны соотношением m m 0 1 2 c 2 . Если бы скорость сигнала (о результате измерения) была → ∞, то «одновременности» в одном месте и в разных местах были бы совпадающими. Тогда промежутки времени ∆t и ∆t' совпадали бы для любых двух событий в любой системе отсчета (как у Ньютона). Однако, ≤ c поэтому (а для материи в форме вещества < c) понятие «одновременность» относительно. То есть ход времени привязан к системе отсчета. Если на ракете K' (рис.7) длительность процесса, произошедшего в одной и той же точке x' равна ∆t', то наблюдатель в системе К зафиксирует промежуток t t 1 2 c 2 . Следовательно, на Земле (система K) ∆t > ∆t'. Точно также из преобразований Лоренца следует, что длина стержня покоящегося в K' (то есть l') связана с его же длиной в системе K (длина l) соотношением l l 1 2 c 2 . В поперечных направлениях длины не меняются. Из этих же преобразований получается закон сложения скоростей U – вдоль оси x и U' – вдоль оси x': dx dx U U 1 U c 2 , U dt dt Отсюда при U' = c получаем U = c, а, к примеру, при U' = 0,9c и = 0,5c, , U = 0,97c < c, как и должно быть. Импульс p m m 0 1 2 c 2 . Основное уравнение движения имеет вид F d p dt , а из этого следует, что «полная» энергия E mc 2 ,тогда кинетическая энергия в специальной теории относительности определяется разностью полной энергии "Е" и энергии покоя "Е0"– покоящегося тела Ek = E - E0, где E0 m0 c 2 . 25 Таким образом, релятивистский подход принципиально изменил концепцию о пространстве-времени. 6 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МАКРОПРОЦЕССАХ. 6.1 Понятие о внутренней энергии, теплоте, работе сист емы молекул газа. Первое и второе начала термодин амики. Как мы уже установили в разделе 2, внутренняя энергия U – энергия теплового (беспорядочного) движения молекул. Теплота Q – мера перехода внутренней энергии от одного тела к другому. Работа A – мера перехода энергии от одного тела (системы) к другому. Все эти величины переходят друг в друга. Тепло, подведенное к газу в цилиндр под поршнем тратится на увеличение его внутренней энергии dU и на работу газа над системой δA. То есть dQ = dU + δA – первое начало термодинамики – закон сохранения и превращения энергии. Остановимся подробнее на тепловых явлениях. Здесь лишь после введения Ньютоном понятия о фундаментальных силах оказалось возможным сравнивать различного вида силы и энергии и прийти к закону её (энергии) сохранения. Эта концепция позволила установить эквиваленты перехода одних видов энергии в другие: тепловой в механическую, механической в электрическую и так далее. Но оказалось, что если всю механическую энергию можно превратить в тепловую, то наоборот никогда не получится. Карно (1824) предложил модель идеальной тепловой машины с наибольшим КПД. РаP бочее тело в ней – идеальный газ под 1 Q1 >0 Тн поршнем в цилиндре (рис.8 ). Q1-2 = A1-2 > 0 Коэффициент полезного дей2 Q4-1= 0 ствия такой машины равен отношению Q2-3 = 0 полезной работы к полученной от нагревателя теплоте и он равен (ТнТх<Tн Тх)/Тн, где Тн и Тх – температуры нагревателя и холодильника. Оказалось, что 4 получать полезную работу можно це3 ной неизбежной отдачи части тепла V Q3-4 = A3-4 < 0 холодильнику. При выравнивании Q2 <0 температуры Тн и Тх (т.е. при Тн = Тх) тепло в работу уже не превратить. Рис.8 Цикл тепловой машины Значит, в состоянии термодинамичеКарно ского равновесия температура везде одинакова и наступает «тепловая смерть» для изолированной системы. Но Вселенная не изолированная система и на неё этот закон не распространяется. Вселенная – открытая система, поэтому она, по Пригожину, эволюционирует и самоорганизуется. При этом самоорганизация носит статистический характер. V 6.2 Энтропия мера хаотичности, её статистич еский смысл по Больцману. Такое важное понятие как энтропия можно ввести несколькими способами. Наиболее простое из них – термодинамическое определение. КПД тепловой маши26 ны равен TH TX TH QH QX QH . Отсюда видно, что только часть внутренней энергии можно перевести в работу, значит, энергия в форме тепла менее ценна в сравнении с другими видами энергии, поскольку из хаоса (тепловые процессы) трудно построить порядок. Это можно сделать, только затратив работу (как дань). И, следовательно, в изолированной системе процессы идут необратимо в сторону выравнивания температуры, то есть «стрела времени» необратима. Клаузиус ввел удобное определение для изменения энтропии S Q T . Тепловая машина не может забирать тепло у холодильника и отдавать его нагревателю, но если это уже происходит, то при этом обязательно над газом должна быть совершена работа и именно ценой ее совершения тепло переходит от холодного тела к горячему. Однако самопроизвольно этот процесс невозможен. Энтропия S это функция состояния системы. Рост энтропии – плата за работу, полученную в тепловом двигателе. При равновесии S = S max. Степень необратимости процесса (по Онсагеру) связана с ростом энтропии. Таким образом, реальные макросистемы переходят из менее вероятного в более вероятное состояние, или из более упорядоченного в менее упорядоченное самопроизвольно. По Больцману (1871) энтропия S = k·lnP, где k – постоянная Больцмана. Здесь Р – термодинамическая вероятность (число способов, которым данное макросостояние достигается). В равновесном состоянии S max, наступает «тепловая смерть» (выравнивание температуры). Для Вселенной это не так: она не изолированная, а открытая система. Действительно, нет во Вселенной выравнивания температуры: в ней рождаются новые звезды, формируются планеты, на них энергия звезд позволяет образовываться белкам и так далее, используя азот, углерод. Энтропия при этом убывает. Говорить о к.п.д. в Природе бессмысленно. Этот термин с точки зрения эволюции заменяют «коэффициентом преобразования». В 1947 г. И. Пригожин сформулировал принцип: из всех устойчивых стационарных состояний, допускаемых законами сохранения и вторым началом термодинамики, реализуется состояние с минимальным производством энтропии. Его и называют принципом максимально возможного сохранения структуры системы в неравновесном состоянии. Пригожин сформулировал третий закон энергоэнтропики – закон уменьшения энтропии открытых систем при прогрессивном их развитии. Её уменьшение происходит за счет потребления энергии от внешних источников (для Земли энергию даёт Солнце). При этом энтропия их возрастает сильнее, чем убывает она для открытой системы. Любая открытая система упорядочивается, то есть является самоорганизующейся. Четвертый его закон предельного развития материальных систем утверждает, что для этих систем энтропия стремится к минимуму: S = S min. Тогда, если ввести величину с обратным знаком по отношению к энтропии, то эта величина - негэнтропия SH = –S стремится к максимуму. Этот закон применим для любых систем и он подтверждается на опыте для биосистем, для различных типов двигателей, при анализе эффективности научных исследований и практических их приложений, при анализе экономических разработок. 27 Пятый закон энергоэнтропики Пригожина – закон преимущественного развития (или конкуренции) утверждает, что в каждом классе материальных систем преимущество получают те, которые при прочих равных условиях достигают максимального значения негэнтропии или максимальной энергетической эффективности (к.п.д., производительности, долговечности, надёжности, дешевизны). Такая, например, вещь охотнее покупается. 6.3 Энтропия и информация. Негэнтропия . Рассмотрим ещё в одном аспекте понятие энтропии. При эволюции любой системы в ней происходит обмен энергией, веществом и сведениями о ней (информация). Система может развиваться только благодаря циркуляции в ней информации. Если информация – функции состояния системы, то увеличение данных о системе уменьшает неопределенность её состояния. По Шеннону (1947) под энтропией понимают, как и по Бриллюэну (1956), негэнтропию. Для нее был сформулирован принцип: с ростом информации о системе увеличению негэнтропия. В таком случае энтропия – мера недостатка информации. Так в кристаллическом состоянии при температуре T ≈ 0 количество информации о теле максимально. Вообще же информация J = k·log2 A и эта величина может не совпадать с S = SH, а k – может и не равняться постоянной Больцмана. Здесь А – число микросостояний, позволяющих получить данное макросостояние. В формуле J = k·log 2 A обычно логарифм для удобства берут при основании 2, поскольку выбирают решение «да» или «нет» – то есть двоичное – бинарное. Связано это с тем, что в ЭВМ двоичное исчисление. Количество информации измеряют в битах. Когда путник подходит к развилке двух дорог и не знает, на какой из них находится нужный ему объект, то информация о том, куда ему поворачивать, соответствует одному биту. Для развития клетки организма необходимо, чтобы она получала информацию от зародышевой клетки. Как происходит этот процесс – не вполне ясно. Итак, энтропия имеет термодинамическое, вероятностное и информационное определение. 7. КОНЦЕПЦИИ О ТИПАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРИРОДЕ. 7.1 Дально - и близкодействие в историческом аспекте. Гравитационное и кулоновское взаимодействия. Сложна картина мироздания Вселенной. Она проявляется в многообразии явлений и взаимодействий. Оказалось, что все эти взаимодействия можно свести к четырём видам фундаментальных взаимодействий. Сейчас практически, удалось даже и эти четыре свести в единое взаимодействие – суперсилу. Таким образом, на основе знания физических законов можно изучать с единых позиций Вселенную с момента ее зарождения до настоящего времени, от субмикрочастиц до организации человеческого общества. Физика показывает, что человек, познавший природу, есть единое целое с ней и в неживом и в живом мире. В единстве законов природы проявляется ее гармония, ее согласованность с мировыми постоянными. Когда-нибудь, 28 по-видимому, удастся все-таки нам открыть действительно фундаментальные законы, управляющие Вселенной. Одним из четырех видов взаимодействий является гравитационное взаимодействие (по Ньютону). Оно описывается соотношением d m m1m2 e , где F F dt r2 Здесь γ – постоянная закона тяготения двух масс m1 и m2, находящихся друг от друга на расстоянии r, e – единичный вектор, орт. d m Вторая сила – сила инерции , задаваемая внешней силой F . dt Между гравитационной массой (в законе тяготения) и инертной (в законе Ньютона) различий не установлено и Эйнштейн постулировал их равенство. Опираясь, в том числе и на этот постулат, он создал общую теорию относительности. В законах Ньютона (и тяготения в том числе) сила взаимодействия появляется мгновенно, так как считается, что взаимодействие распространяется с бесконечно большой скоростью. Равенство mинерц mгравитац составляет содержание принципа эквивалентности этих масс. В теории относительности, где казалось все относительно, были установлены так называемые инварианты (из преобразований Лоренца). Одним из таковых (не изменяющимся при переходе от одной инерциальной к другой инерциальной системе отсчета) является пространственно-временной интервал s = с 2t 2 x 2 y 2 z 2 const . Основная идея общей теории относительности в том, что в ней вводится тензор кривизны пространства, связанный с тензором, описывающим поведение источников тяготения. В теории тяготения Эйнштейна уже нет дальнодействия, так как сила взаимодействия между массами m1 и m2 передается не мгновенно, а со скоростью c = r / t, где t – время, за которое это взаимодействие передается. Для сил другого вида – электромагнитных (в частности кулоновских) ситуация аналогичная: заqq кон Кулона записан в форме дальнодействия F 1 2 2 , где q1, q2 – электрические r заряды. В релятивистской теории Эйнштейна этот закон уже пишется с учетом концепции близкодействия (время запаздывания силы t = r / c). 7.2 Концепции сильного и слабого взаимоде йствий. Физики установили, что атом также имеет сложную структуру и состоит из электронной оболочки и ядра. Ядра в свою очередь состоят из протонов и незаряженных частиц нейтронов (нуклоны). Непонятно, почему ядро не разваливается, хотя протоны расталкивают друг друга будучи одноименно заряженными частицами. Атом имеет размер ~10–8 см, ядро ~10–13 см, масса протона и нейтрона примерно в 1837 раз больше массы электрона. Для обоснования факта существования атомных ядер ввели новый вид сил – сильное взаимодействие для нуклонов (протонов и нейтронов). Причем, эта сила примерно в 100 раз превосходит кулоновское (электромагнитное) взаимодействие. За счет этих сил в недрах Солнца и звезд непрерывно идут термоядерные реакции с превращением водорода в гелий (на Солнце). Характер сильного взаимо29 действия проясняет кварковая модель Гелл-Мана (1963). По ней все элементарные частицы состоят из кварков, в том числе нуклоны. Кварки – это фермионы (полуцелый спин, то есть спиновое квантовое число) 1 3 2 3 с дробным электрическим зарядом е, e (е – заряд электрона). Считают, что существует шесть разновидностей кварков, отличающихся «ароматом»: u – верхний, d – нижний, o – очарованный, s – странный, b – красивый, t – истинный. Их комбинации дают любую элементарную частицу (например, протон – это uud, нейтрон udd и т.д.). Переносчиком взаимодействия здесь являются глюоны (для электромагнитного поля – фотоны, для гравитационного – гравитоны). Глюоны не имеют массы покоя и электрического заряда, как и фотоны. Слабое взаимодействие обуславливает распад протонов и нейтронов. Нейтроны неустойчивы, поэтому идет реакция 0 n1 1p1 1 e0 ~ с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, протон же распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Слабое взаимодействие возникает между лептонами электронами, нейтрино, мюонами, тауонами. Радиус действия слабого взаимодействия ~10–16 см. Оно слабее электромагнитного, но намного сильнее гравитационного. Слабое взаимодействие передается частицами – бозонами W и Z0. Масса их ~ в 100 раз больше массы протона: W имеет заряд ±e, массу 85 mp, Z0 – частицы не имеют заряда, но масса их 95 mp. Без этих частиц было бы невозможно образование сложных систем, без кварков не было бы ядер, без лептонов не было бы атомов, химических элементов, жизни. В Теории Великого Объединения (ТВО), созданной Саламом, Вайнбергом (1967), энергия объединения электрослабого и сильного взаимодействия связана с частицами – переносчиками лептокварками. Их масса (энергия) составляет ~1015 ГэВ, именно она – прародитель (преон), сыгравший важнейшую роль в рождении вещества сразу после возникновения Вселенной. Остановимся на понятии суперсилы. В Теорию Великого Объединения входили и монополи (магнитные). Их масса громадна в сравнении с массой нуклонов. Поэтому при аннигиляции монополя и антимонополя выделялась бы гигантская энергия (бинарное оружие). Возникла идея суперсимметрии со спином – ее основой. Эта суперсимметрия соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. То есть она связывает в одно семейство частицы с разными спинами. Включить в суперсилу теорию гравитации можно лишь при наличии гравитона со спином 2 и, в частности, частиц со спином 3/2 (последних пока опыт не обнаружил). Описание гравитации на языке суперсимметрии называют супергравитацией – такой вариант теории требует существования загадочных частиц «гравитино» и именно со спином 3/2. Если такие частицы найдут, то идея о суперсиле будет подтверждена. Теоретически это направление суперсимметрии рассматривают как супергравитацию N = 8. В это семейство N = 8 входит 163 частицы: 70 – со спином 0, 56 – со спином 1/2, 28 – со спином 1 и 8 – со спином 3/2, 1 гравитон со спином 2. 30 Кроме того, она дает описание полей и вещества с использованием квантовых законов. 7.3 Понятие о физическом вакууме как материальной среде. Пустое пространство, как считают современные ученые космисты, – ключ к пониманию всех взаимодействий. Вакуум в этом смысле существует без полей, частиц и волн. Рассмотрим именно такой идеализированный вакуум (в реальном вакууме есть космические газы и реликтовое излучение). При разработке квантовой теории поля и теории относительности микро- и макромир соприкоснулись посредством мировых констант, без которых ни та, ни другая теория немыслима. К числу этих констант относятся постоянная закона тяготения γ, скорость света c и постоянная Планка h или ħ = h/2π. Их размерности выражаются через граммы, см, секунды. Тогда из γ, с, ħ можно получить: единицу массы (ħс/γ)1/2 = 2·10–5 г, единицу длины (ħγ)1/2с–3/2 = 1,5·10–33 см и единицу времени (ħγ)1/2с–5/2 = 5·10–44 сек. Это планковские единицы. Они характеризуют масштабы, в которых гравитация объединяется с квантовой физикой. Но единица массы здесь 2·10–5г ≈ 1019 mP. Поэтому в этом случае нужно применять и квантовое соотношение неопределенностей и вероятностное рассмотрение пространства и времени. Это стратегическое направление исследований на 21 век. Оказалось, что вакуум не пустота, лишённая вещества, а наполненная виртуальным всплесками энергии субстанция, (это следует из соотношения Гейзенберга для энергии и времени ΔE·Δt ≥ħ, где ΔE и Δt – соответствующие им неопределенности). В квантовых эффектах могут иметь место отклонения от законов сохранения энергии. Значит, энергию можно на время Δt взять взаймы, а затем вновь отдать частицам-призракам (виртуальным частицам). Их невозможно наблюдать, они не могут передавать сигналы. Вакуум, по современным представлениям, полон виртуальными частицами. Даже в покое электрон, например, штурмуется этими частицами из вакуума. Фейнман предложил описывать эти взаимодействия диаграммой. Например, частица испускает виртуальный фотон (сама рассеивается – отклоняется). Он рождает пару электрон + позитрон, эти частицы обмениваются виртуальными фотонами, аннигилируют, образуя виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Наблюдать можем мы при этом лишь первую и вторую частицы (реальные). Существуют и космологические гипотезы возникновения Вселенной. По ним она вначале была в состоянии вакуума («ложного») с силами отрицательного давления. Он взорвался («теория инфляции») и стал удваиваться каждые 10 -34 сек с момента взрыва, оставаясь пустым и холодным. Затем «ложный» вакуум распался, энергия высвободилась в виде излучения, нагревшего Вселенную до 1027 градусов, и тогда в ней начались процессы согласно Теории Великого Объединения (Глэшоу, 1974). С этого момента Вселенная развивалась согласно теории «горячего» Большого Взрыва. И из громадной энергии взрыва возникли вещество и антивещество. Вселенная стала остывать с образованием всех элементарных частиц. Казалось, неоткуда было здесь взяться энергии ~1068 Дж. Остается одно объяснение – вакуум – бездонная бочка энергии. А ведь по христианской (и не только) религии Бог сотво31 рил мир из ничего, который ежедневно увеличивал свой объем на 10 18 кубических световых лет. Как же возникло состояние «ложного» вакуума? Считают, что оно неустойчиво и из него по законам физики выделяется энергия. Переход из «ничего» происходит в сильном электрическом поле (поляризация вакуума) с появлением электронов и позитронов (например, вблизи поверхности ядра урана величина этого поля достаточно для такой поляризации вакуума). Значит «вакуум» испытывает распад, рождая частицы. Тоже самое происходит вблизи «черных дыр» под действием гравитации. Квантовые размеры пространства и времени надо учитывать с момента от ≈10–44 сек до 10–32 сек, когда и произошел квантовый скачок с возникновением пространства-времени материи. А с момента t > 10-32 сек начался Большой Взрыв Вселенной со всей ее эволюцией, в процессе которой вначале возникли субатомные частицы, затем «космический суп», атомы, химические элементы, плазма, звезды, планеты и жизнь. Так Вселенная осознала саму себя в лице человека. Новая космология утверждает, что начальное состояние космоса не играет роли, так как информация о нем стерлась в ходе «инфляции» (раздувания пустого «ничего» от ≈10–44 сек до 10–32 сек.) Следовательно, важно лишь состояние в начале Большого Взрыва. Итак, если раньше люди считали (атеисты), что из «ничего» не рождается ничто, то сегодня на основе законов физики можно утверждать, что из «ничего» произошло «все»!? 8.ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ В ПРИРОДЕ. 8.1 Законы сохранения энергии и импульса как следствие однородности времени и пространства. Симметрия – это свойство какого-либо объекта (в том числе воображаемого: предмет, линия, функция и т.д.) совпадать с самим собой при определенных операциях переноса, которые мы рассмотрим ниже. Симметрия – понятие относительное. Так буква T симметрична относительно вертикальной линии, проходящей через ее центр – это операция зеркального отображения. В то же время она несимметрична относительно горизонтальной линии. Наиболее ярко симметрия проявляется в кристаллах, где атомы «правильно» расположены (периодично) в пространстве. Например, если атомы располагаются в вершинах куба (кубическая симметрия), то можно указать оси симметрии, при повороте вокруг которых кристалл совпадает с самим собой (симметрия вращений) и плоскости симметрии, при отображении от которых вновь будет совпадение, ибо все атомы идентичны (операция зеркального отображения). Можно указать еще один вид симметрии – трансляция, то есть перемещение в кристалле на расстояния кратные периоду решетки в любом направлении также приводит к совмещению кристалла (трансляционная симметрия). Федоров и позже Шенфлис в 1892 г. установили наличие 32 видов симметрии относительно вращений и отражений. С учетом трансляций их будет 230, то есть столько способов расположения атомов. Точно так же и уравнения могут быть симметричными, то есть замена, например, в уравнении (x - 3)(x - 4) = 0 величины x → -x ничего не меняет. Законы механики также обладают симметрией как при описании поступательного, так и вращательного движений. Время имеет одно измерение. Здесь также 32 от выбора начала его отсчета законы движения не изменяются – однородность времени. Точно также произвольный перенос начала системы отсчета оставляет траекторию движения неизменной – однородность пространства. Это глобальные свойства пространства и времени. Конечно, они тем точнее, чем на меньший промежуток времени и расстояние мы переносим выбор начала их отсчета. Действительно, одно дело если ∆t = 1 год, а другое, когда ∆t = 1 млрд. лет, поскольку за это время Вселенная сильно расширилась и свойства времени, благодаря уже другой концентрации материи во Вселенной стали другими. То же самое относится и к однородности пространства. Оказалось, что из однородности пространства строго следует закон сохранения импульса системы: суммарный импульс системы не изменяется во времени n P m i i const i 1 Из однородности времени точно также можно вывести закон сохранения энергии системы: суммарная энергия системы, состоящая из различных ее видов при всех движениях в ней не изменяется. Если мысленно заставить течь время в обратном направлении (t → -t), то движение начнется по законам механики в обратном направлении. Значит время должно быть обратимо? Но опыт убеждает нас, что это не так для системы частиц. Что тому причиной? А может есть какие-то еще непознанные нами законы природы? Получается, что материя сейчас эволюционирует по законам теории вероятностей? Эта проблема до конца не разрешена. Заметим, что импульс сохранятся только для изолированных систем, а для энергии этого уже не требуется. Есть еще одна сторона и причина приближенности однородности пространства: вблизи тяжелых тел (звезд, галактик, планет и т.д.) оно явно неоднородно. То же самое имеет место и для времени. В этом случае об их однородности можно говорить только в мегасмысле, да и то с некоторой натяжкой, как и о законах сохранения, следующих из однородности пространства и времени. 8.2 Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства. Остановимся на симметрии пространства, связанной с его изотропностью, означающей, что свойства пространства во всех направлениях одинаковы. Однако это свойство также приближенное и лишь опыт, который всегда сопряжен с неизбежной погрешностью, убеждает нас в этом. То же самое можно сказать и о законах сохранения еще не уточненных. Действительно, иногда симметрия нарушается при переходе к более детальным закономерностям движения. Существует и свойство симметрии относительно правого и левого в квантовой физике, приводящее к закону сохранения «четности». А вот из изотропности пространства можно строго вывести закон сохранения момента импульса системы, n то есть величины [ ri p i ] L const , который для изолированной системы при i 1 любых движениях в ней остается неизменным. Здесь константа, как вектор, имеет три сохраняющиеся величины проекции момента импульса " L " на координатные оси "x", "y" и "z". Резюмируя наличие нескольких типов симметрии, можно сказать, что для любой изолированной системы 33 имеет место сохранение семи ее величин: энергии, трех составляющих суммарного импульса и трех составляющих момента импульса. В остальном системы эволюционируют по-разному. Все эти законы сохранения как порождение симметрии ценны своей общностью: они верны и для мегамира (галактики, звезды, планеты) и для макро- и микромира. Однако эти законы, по мере развития физики, приобретают несколько иной смысл. Так, с появлением теории относительности два закона сохранения энергиимассы объединились в единый закон сохранения энергии-массы. В микромире зачастую эти законы – единственная опора в объяснении явлений. При этом из всего множества траекторий движения системы, определяемых законами механики, законы сохранения указывают лишь на те траектории, которые ими не запрещены. Так как этих законов несколько, то произвола в выборе системой конкретной эволюции развития уже нет. Что касается закона сохранения четности, то Ли и Янг установили, что он нарушается в слабых взаимодействиях. Это проявляется в том, что для некоторых элементарных частиц нет соответствующих античастиц. В растительном и животном мире на Земле преобладает асимметрия. Однако, она связана, в первую очередь, с ее источником – кориолисовой силой, которая в северном полушарии направлена вправо по ходу движения тела, а в южном – влево. Она накладывает свой отпечаток на все процессы, развивающиеся на планете. У вьющихся растений проявляется спиральность: вьюнки дают правый винт. Есть спиральность и у рогов баранов, антилоп, у бивней мамонтов, у ребер также спиральный изгиб. Есть асимметричные существа – клест, краб-скрипач, камбала, палтус и др. Человеческое тело практически симметрично. Нарушения здесь лишь в расположении внутренних органов: сердца, желудка, аппендикса, правое легкое больше левого. Двуяйцовые близнецы иногда имеют зеркально симметричные черты, особенно сиамские близнецы, у которых внутренние органы переставлены. У правшей правая сторона тела управляется левым полушарием мозга. Есть и несимметричность мозга: его правое и левое полушария управляют различными способностями человека – у одних это способность к точным наукам, а у других – к гуманитарным. Примерно 25% людей рождаются левшами, которые имеют больше склонностей к совершению преступлений. Есть асимметрия и в неживой природе. Именно оттуда она и «принесена» в живой мир. Способность молекул существовать в двух изомерных состояниях с «левым» и «правым» расположением атомов относительно определенных плоскостей симметрии называют хиральностью. При этом распространенность их разная. Так, аминокислоты являются левыми в смысле расположения атомов, окружающих углерод. Асимметрия присуща и структуре ДНК – хранителю генной информации. После Большого Взрыва во Вселенной из-за изначальной небольшой асимметричности мир вещества получил преимущественное развитие над миром антивещества: из-за того, что до Взрыва на миллиард фотонов на один протон приходится больше, чем антипротонов при реакциях возникновения квантовых частиц. 9. КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА. 34 9.1 Характеристики и свойства микрообъектов. Микрообъекты – это молекулы, атомные ядра, элементарные частицы. Элементарные частицы это фотоны, адроны и лептоны. Адроны – нуклоны (протоны и нейтроны), мезоны более легкие, чем протон и гипероны (тяжелее нейтрона), а также их античастицы (кроме нейтральных). Лептоны участвуют в слабых взаимодействиях. В их число входят электроны, мюоны с античастицами и два нейтрино – мюонное и электронное. Важнейшая их характеристика – масса покоя фотона и всех видов нейтрино, предположительно, равна нулю. Масса атома отличается от масс, составляющих его частиц на дефект массы, равный энергии его связи, поделенной на с2 (с – скорость света). Обычно дефект массы на один нуклон составляет порядка 10 электронных масс. Заряд сложного объекта равен сумме зарядов его составляющих. Есть у частиц и спин (S)– их специфическое свойство (аналог момента импульса частиц относительно оси симметрии). Для фотона S – целое число, для лептонов и нуклонов – полуцелое. Все бозоны, как отмечалось, имеют целый спин, а фермионы – полуцелый. В одном состоянии может находиться не более одного фермиона, а бозонов – сколько угодно. Бозоны – это фотоны и мезоны, а фермионы – лептоны, нуклоны, гипероны. Все частицы нестабильны и распадаются, кроме фотона, электрона, протона и всех видов нейтрино. Время жизни мюонов 2,2·10– 6 сек, π+ мезона – 2,6·10–8 сек, π0 мезона – 10–16 сек, гиперонов – 10–10 сек, а у резонансов (их около ста) – 10–22сек. Есть (преобладают) нестабильные атомные ядра (радиоактивные). Среди стабильных ядер выделяется железо. Стабильность ядер связана с соотношением числа протонов и нейтронов. Дробление элементарных частиц не выявляет их структуры, они просто превращаются в другие частицы. Закон сохранения энергиимассы сильно ограничивает число каналов реакций. Существуют и специфические характеристики элементарных частиц: барионный заряд (число нуклонов), странность и так далее. В микромире возникает концепция квантования физических величин и идея дуализма. Это две важнейшие идеи квантовой физики. 9.2 Две фундаментальные идеи квантовой те ории. Оказалось, что квантуется (порционируется) энергия, импульс, спин, заряд элементарных частиц. Дискретному набору энергий электрона в атоме водорода соответствует система энергетических уровней. Для ее объяснения Бор в 1913 г. предложил ввести два постулата: о квантования момента импульса электрона r·m = nћ, где n = 1, 2, 3,… и утверждение, что на стационарных орбитах электроны не излучают и не поглощают энергию. Учтя также, что кулоновская сила притяжения электрона к ядру e2/r2 равна ньютоновской силе m2/r, Бор получил энергию электрона En = –me4/(2ћ2n2), где n – главное квантовое число. Частоты излучаемых атомом фотонов, определяются из соотношений (En – Em)/ћ = ωnm, орбитальный момент импульса электрона L e ll 1 , где орбитальное квантовое число l = 0, 1, 2, …,(n – 1). Первый постулат Бора можно объяснить, если принять гипотезу де Бройля (1923) о том, что длина волны, возникающей при движении частицы с импульсом m, равна λ = h/m и если предположить, что на длине орбиты 2πr укладывается целое число волн де Бройля. Формула де Бройля представляет концепцию о двой35 ственной (дуальной) природе микрочастиц – корпускулярно-волновой. Эта идея была подтверждена как опытами Тартаковского, Девиссона и Джермера при дифракции электронов на кристаллах, так и на их слабых пучках Фабрикантом в 1949 г. Здесь ћ – шаг квантования в нашей Вселенной для дискретных атомных объектов. Попытки наглядно представить себе частицу-волну не увенчались успехом. Надо принять это как реальность с учётом так называемого соотношения неопределённостей Гейзенберга для координаты частицы «х» и её импульса «Рх» : Px x Здесь х – погрешность определения координаты частицы, Рх – погрешность определения импульса вдоль оси «Х». Это состояние – неизбежное следствие того, что частица (где-то находящаяся ) – одновременно и волна (неизбежно «размазанная» в пространстве). Из этого соотношения следует, что одновременно никогда x 0 и Px 0 , как это должно быть в макромире, где мы можем пользоваться (так нам казалось) идеально точными приборами. Следовательно, в принципе не возможно одновременно указать, где точно находится частица и какой точно у неё импульс!! Дуализм понимают как потенциальную возможность проявления у частицы-волны в одних ситуациях корпускулярных свойств (преимущественно), когда каждый электрон проявляет себя в виде точки на фотопластинке, а в других – волновых, если размер препятствия соизмерим с длиной волны де Бройля и тогда на передний план выходят волновые свойства материи. 9.3 Принципы квантово-полевой картины мира. Принцип соответствия. Таким образом, из гипотезы де Бройля следует, что волновыми свойствами обладают все без исключения движущиеся объекты. Однако для объектов с большой массой длина волны настолько мала, что эта волна не обнаружима существующими способами. Следовательно, классическая физика частный, предельный случай физики микромира. Из сказанного следует, что развитые де Бройлем представления находятся в соответствии с фундаментальным принципом естествознания принципом соответствия. Этот принцип гласит, что любая новая теория, любое новое представление, претендующие на более глубокое описание реальности и на более широкую область применимости, чем старые, должны включать последнюю как предельный случай. После работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, возникла настоятельная необходимость такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу волновой теории, волновой или квантовой механики, и легла концепция де Бройля. Оказалось, что эти волны не являются физическими, материальными волнами. Они лишь показывают вероятность обнаружения данной частицы в различных точках пространства и в различные моменты времени. Поэтому поведение микрообъектов описывает статистическая теория. Причина статистического характера квантовой теории – наличие множества связей, влияющих на движение объектов. Свободная 36 частица в действительности свободна только от взаимодействия динамического характера, но она находится под действием случайных сил, вызывающих квантовые флуктуации её поведения. Последнее отражает собой взаимодействие микрообъектов с вакуумом, который заполнен виртуальными частицами. Микрочастица окружена миром вакуума ( полем Дирака). Из сказанного следует, что если появится необходимость определения координаты частицы, то удастся определить лишь наиболее вероятную её величину, так как неизбежна некоторая неопределённость последней (х). Таким образом, понятие координаты в ее классическом смысле не может быть применено к микроскопическим объектам. Принципы дополнительности и неопределённостей. Сказанное частный случай более общего принципа, высказанного Максом Борном принципом дополнительности. Из этого принципа следует, что получение экспериментальных данных об одних физических величинах неизбежно связано с изменением таких данных о величинах, дополнительных к первым (например, координата и импульс частицы) и что лишь вся сумма явлений исчерпывает информацию об объекте. Вернер Гейзенберг (1901-1976) немецкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из создателей квантовой механики, в 1927 году математически выразил принцип неопределенности: px x => . Оказалось, что не только координату, но и импульс частицы (произведение массы частицы на ее скорость) невозможно точно определить. Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной частицы, тем меньше точность в определении ее скорости (масса постоянна) и наоборот. Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры, и при «падении» электрона местоположение последнего окажется весьма точным определенным. Следовательно, резко увеличится неопределенность в скорости электрона, разброс в значениях скоростей станет весьма большим. В этот разброс будут включаться столь большие скорости, что электрону впору покинуть атом, а не падать на ядро! Несколько иной смысл имеет принцип неопределенности для энергии и времени. Если система находится в стационарном состоянии (то есть в состоянии, которое при отсутствии внешних сил не изменяется), то точность измерения энергии (E) обратно пропорциональна длительности процесса измерения (t ), причём в качестве коэффициента пропорциональности выступает опять-таки постоянная Планка . Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения. Таким образом, указанная выше двуединость находит отражение в самом способе квантово-механического описания, устраняющего резкую границу, разделяющую поля и частицы в классической теории. Это описание продиктовано кopпуcкулярно-волновой природой микрочастиц и его правильность проверена на огромном числе объектов. Законы квантовой механики составляют фундамент наук, изучающих строение вещества (в частности, химии); они позволили выяснить строение атомов, установить природу химический связи, объяснить периодическую систему химических элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодей37 ствием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоемкости газов и твердых тел. Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явлении, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, понять природу таких астрономических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах. Таким образом, квантовая механика восстанавливает идею единства мира и всеобщей взаимосвязи, которая была ущербной в классической физике. Мы пришли к концепции о том, что Вселенная это неделимое целое, но гибкая и постоянно меняющаяся эволюционирующая система. Таким образом, квантовая механика блестяще разрешила важнейшую из проблем проблему атома и дала ключ к пониманию многих других загадок микромира. Но в то же время квантовая механика описывает движение электронов, протонов и других частиц, но не их порождение или уничтожение, то есть применима лишь к системе с неизменным числом частиц. Порождаться и исчезать могут не только фотоны. Одно из самых поразительных и, как выяснилось позже, общих свойств микромира универсальная взаимопревращаемость частиц. Либо «самопроизвольно» (на первый взгляд), либо в процессе столкновений одних частиц с другими они исчезают, а на их месте появляются другие. Это равносильно представлению о том, что при столкновении двух «Жигулей» на их месте появится трактор. Между тем при столкновении протонов и нейтронов образуются -мезоны, два фотона «рождают» пару электрон-позитрон в поле ядра атома, при столкновении же электрона с позитроном на их месте возникает пара фотонов (процесс этот называется аннигиляцией). До сих пор не решена задача квантования такого континуума, как электромагнитное поле. Но её успешно решает квантовая теория поля, являющаяся дальнейшем обобщением квантовой механики. Важное значение в квантовой физике имеет принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции (принцип наложения) это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, действующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь при условии, когда силы взаимодействия не влияют друг на друга. Можно привести такой пример. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполнятся уже не будет. Этот принцип не всегда выполняется при распространении света через диэлектрик, так как в ряде случаев при этом изменяются те свойства диэлектрика, от которых зависит распространение света через эту среду. Принцип суперпозиции в ньютоновской физике не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно. 38 В микромире, наоборот, принцип суперпозиции фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. B релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение элементарных частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиция дополняется принципом сохранения электрического заряда до и после превращений сумма зарядов частиц должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженные частицы, каковыми и являются «рождающиеся» в этом процессе фотоны. 9.4 Связь современной физики с нейронаукой и психологией. Мир можно представлять как совокупность дискретных элементов, взаимодействующих между собой на основе причинно-следственных связей. Но из-за того, что энергия E = mc2, то можно говорить о том, что это энергия активна и ее нельзя рассматривать без использования времени. Поэтому по Эйнштейну различие между прошлым и будущим это стойкая иллюзия. Квантовая теория использует идею «туманного мира», где материя всегда движется. Эти частицы проявляют себя только во взаимодействиях, это как бы не объекты, а отношения между ними. Здесь человек – звено, дающее реальность объектам путем своего решения приписывать им некоторые свойства. То есть без человека и роза и гранит – сгустки излучений. Аналогичное имеет место между одушевленными и неодушевленными предметами. По Борну (1954) все мертвое на самом деле находится в вечном движении. Чтобы отличать мертвое в таком случае от живого нам нужны наилучшие способы описания предметов. В этом плане, возможно, поможет голография. Она позволяет получать на плоской поверхности объемное изображение предметов. Каждый ее участок содержит полную информацию обо всем объекте. По Прибраму (1971) мозг человека функционирует по этому же принципу. Сигналы от частиц объекта могут проецироваться на все точки мозга. Сам же мозг с учетом всех сигналов воспринимаемых им, предположительно, создает математически на основе интерференционной картины образ предмета – «конкурентную реальность». Он также полагает, что сама Вселенная голографична и наш мозг создает голограмму, которая эту Вселенную отображает. Каждый человеческий мозг создает большую голограмму, имеющую доступ ко всей информации. По Бому (1973) связи между частицами могли бы создать живую энергию во всей материи (обобщенный разум природы). Тогда материя содержала бы в себе сущность разума, и он рос бы вместе с уровнем сложности материи. Согласно этому допущению, интерференционные элементы разума и принцип самоорганизации, управляющий Вселенной с момента Большого Взрыва, имеют одну природу. Тогда между сознанием гранита и нашим сознанием была бы разница только в степени. В таком случае речь идет уже о монистической концепции, еще более фундаментальной, чем представления, основанные на чисто физиологическом взаимодействии между нейронами (передают нервные возбуждения). Голограмма, возникающая в коре мозга, базируется на коротковолновой голограмме от взаимодействия частиц, составляющих материю нейронов. В этом случае 39 получается как бы голограмма в голограмме, связанная со Вселенной невидимым потоком, организующим связь на уровне субатомной реальности. По Прибраму, если бы мы видели реальность, без расчетов мозга, то познавали бы мир сигналов (частот) вне времени и пространства, мир, где существуют лишь события. И только мозг устанавливает понятия «до», «после», «здесь», «там», причины и следствия. Сколько людей, столько и восприемников мира, столько и нюансов в его восприятии у каждого индивидуума. Этот подход нашел отклик в различных областях психологии. Так мистические состояния, видимо, соответствуют погружению в область сигналов, устанавливающих гармонию с источником реальности. Сознание изменяют психотропные вещества за счет иной интерпретации сигналов, не совпадающей с таковой для обычных условий. Подсознание могло бы быть такой базовой «туманной» областью, содержание которой может раскрываться только при участии психоаналитика, обогащающего расшифровку (частот) сигналов и такие процессы как обучение и запоминание могли бы найти связное объяснение благодаря этой концепции. Тогда не надо было бы ссылаться на какую-то энергию, пронизывающую пространство вне чувственного восприятия, или телекинеза. Действительно, ведь тогда информация не передается из одной точки в другую, ибо она одновременно находится в обеих этих точках. Такой новый подход, конечно же, в корне изменил бы наше понимание реальности, чтобы охватывать им всю науку с учетом всех старых моделей. Это миропонимание поставило бы человека на качественно новый уровень в изучении и самопознании Вселенной. 10 КОНЦЕПЦИИ МАТЕРИАЛЬНОСТИ МИРА. 10.1 Материя: вещество, энергия, организация. Все то, что нас окружает вместе с нами и есть материя. Это ее самое общее определение. Поэтому никакие уточнения свойств мира не влияют на сущность материи. Любое изучение материи сводится к расчленению ее на части для анализа различных ее сторон и свойств. Одной из составляющих материи является вещество на уровне атомов и молекул, второй ее составляющей является энергия – обе они предмет изучения физики. Эти две составляющие материи как-то довольно сложно организованы и взаимодействуют между собой. Организацией вещества и энергии занимается кибернетика, информирующая об этой их организации. Пример: в атоме ядро и электроны взаимодействуют по закону Кулона. С точки зрения строB ения атома нас не интересует природа ядерных сил, а лишь то, как электроны и ядро взаимодейM ствуют. При рассмотрении молекул уже берут атом b O как целое. Польза от четкого формулирования сиe o стемы, введенная кибернетикой, очевидна. Это стимулировало развитие науки. Можно полагать, E что материя M = b·B + e·E + o·O, где b, e, o – размерные коэффициенты, а B, E, O – вещество, энерРис.9 40 гия и организация. По-видимому, в векторном виде, M e E b B o O В этом случае закон сохранения материи M const выглядит так: M e E 2 b B2 o O 2 = const В координатах bB, eE оO это будет сфера (рис.9), описывающая эволюцию си стемы при M const . Однако, при этом все изменения протекают взаимосвязано с одновременными изменениями (в различной степени) каждой доли материи: B, E, O. Ещё Аристотель утверждал, что материя это земля, огонь, вода и воздух. Но с XVIII века пришли к отождествлению материи с веществом, массой (Ломоносов). В 1748 г. Ломоносов писал Эйлеру уже о законе сохранения: «все перемены в натуре встречающиеся такого суть состояния, что если чего где убудет, то столько же присовокупится в другом месте». Через 17 лет Лавуазье вновь открыл этот закон (но без представлений об атомном строении вещества). При этом он его экспериментально обосновал, изучая химические реакции в ретортах. И Ломоносов и Лавуазье считали, что материя есть вещество, масса. Хотя это и упрощение, но оно дало закон сохранения массы, описавший взаимодействия частиц и вещества. Майер в 1841 г. пришел к выводу о том, что климатические условия, влияя на интенсивность окислительных процессов в организме человека, меняют цвет его крови: у южан она более яркой окраски, чем у северян. При этих исследованиях он пришел к мысли, что между теплотой и работой есть количественная связь и даже некий эквивалент (1 калория = 4,182 Дж). Это была идея об эквивалентности различных форм энергии и количественного сохранения её при переходе от одного вида к другому. Через 100 лет (1947) Шеннон сформулировал закон сохранения организации. Он ввел для информационных систем термин неопределенности, или энтропии. Разность неопределенностей для объекта – это информация. В 1954 г. Схоутен уже говорил о законе сохранения информации: эксперимент изменяет знание и незнание на равные величины, но с противоположными знаками. Советский философ Новик (1964) сформулировал этот закон для каналов связи (в них полная сумма информации плюс шум остается постоянной). Антомонов (1965) утверждает, что «на любом этапе эволюции замкнутой системы сумма реализованной и нереализованной неопределенности остается неизменной». Шеннон предложил неопределенность состояния определять по формуле: n H ( Pi ln Pi ) , i где Pi – вероятность нахождения системы в i – состоянии, n – число состояний. Если наблюдать за человеком, который либо бодрствует, либо работает, либо спит (n = 3), то поскольку в среднем он по 8 часов находится в одном из этих состояний, то Р1 = Р2 = Р3 = 1/3. Если неопределенность в системе максимальна, то в ней царит беспорядок, или хаос. Действительно, она максимальна для человека бодрствующего или отдыхающего (за которым наблюдают целые сутки и каждую мину- 41 ту фиксируют его состояние), когда ему все равно, в каком состоянии он находится. 1 1 Тогда-то неопределенность максимальна и H 3 ln ln 3 . 3 3 Если наблюдать за больным человеком (в постели) или за мертвым (в гробу), то получим соответственно для вероятностей Р1 = 0 (что стоит), Р2 = 0 (что работает), Р3 = 1 (что лежит). При этом число интересующих нас событий равно числу опытов. Тогда неопределенность H 0 ln 0 0 ln 0 1 ln1 0 , то есть она минимальна. Хаос исчез, появился порядок. Таким образом, получается, что 0 H ln n . Шеннон предложил считать организацией разницу между максимальной неопределенностью системы и ее реальной величиной, т.е. O = H max – H, или иначе Ot Ht H max const ln( n ) . Это и есть закон сохранения порядка и беспорядка для системы с постоянным значением максимальной неопределенности (для замкнутой в организационном отношении системы). В детерминированной системе разность неопределенностей, то есть организация, достигает максимума (O max). 10.2 Законы взаимопревращений и модель эволюции материи. Из закона сохранения материи следует, что сумма вещества, энергии и организации на всех этапах эволюции материи не меняется. Это накладывает определенные ограничения (запреты) на разнообразие эволюций системы: лишь была бы M const , но ее составляющие могут переходить друг в друга: масса, например, в энергию при альфа и бета распадах ядер атомов. При аннигиляции вещества и антивещества (например 2hv ) будет то же самое: вещество и антивещество превращаются в энергию. Еще в 1905 г. Эйнштейн записал формулу E = mc2, подтверждаемую опытом. Из связи между энергией и массой следует, что должен существовать и закон сохранения энергиимассы-организации. Например, для образования пары и нужно, чтобы энергия фотона была больше 2m0c2. Если организация O = 0, тогда bB eE const . Для элементарных частиц O = 0 (нет никакой организации!). Сопоставление с опытом показывает, что b e c2 . По-видимому, есть еще неизвестные виды перехода компонентов материи друг в друга, это подсказывает нам интуиция. По аналогии между организацией O и энергией E должна существовать связь, либо вида O = k·E, либо функциональная O = f(E). По-видимому, организация О аналогично связана и с дефектом энергии. Но в микромире значения и влияние организации малы. Поэтому микромир – мир с наиболее простой эволюцией материи, ибо для него ΔE = Δmc2. Организация же выступает на передний план в биологических системах. Хорошо бы экспериментом выявить связь организации и энергии по аналогии с известным m > m0 и m живого > m неживого. Покой для биосистем это смерть и ΔE = Eжив. – Eмертв. ~ O. Смерть биосистем это эксперимент, который ставится природой ежесекундно, но по нему не удается рассчитать коэффициент k в формуле O = k·E. 42 Следовательно, в биоэкспериментах следует искать закон перехода энергии в организацию. То же самое, но в меньшей мере относится к химии полимеров. Действительно, физические факторы влияют на возникновение сложных молекул. Для примера рассмотрим эволюцию материи, взяв два момента времени при M const. Тогда получаем равенство b B2 B1 e E 2 E1 o O 2 O1 0 . Усложнение материи в данном случае происходит за счет превращения более грубых ее составляющих в более тонкие. Вещества и энергии в этом случае становится меньше, а организации больше. В другом варианте организация может возрастать за счет уменьшения и вещества и энергии. Таким образом, можно отметить три характерных этапа эволюции материи. Первый этап – эволюция неорганического мира (от космического развития до образования планетных систем). На этом этапе организация практически постоянна, а основное – это превращение вещества в энергию. Второй этап – эволюция Биосферы. В этом случае вещество преобразуется в энергию и организацию. Роль организации резко возросла. Четкой количественной связи между всеми изменениями составляющих материи пока не установлено. Третий этап – усложнение биосистемы в онтогенезе (индивидуальное развитие организмов от рождения до смерти) после рождения в результате обучения. При этом изменениями вещества пренебрегают, что приводит к переходу энергии в организацию. Описание поведения человека при изменении организации окружающей среды также не удается выразить количественно. Для жизни в биосистемах характерна совокупность законов сохранения и переходов с многократными актами взаимодействия вещества, энергии (подразумевается под последней электромагнитное поле) и организации. При этом необходим постоянный обмен с окружающей средой веществом, энергией и организацией. Заметим, что постоянство материи M const является следствием симметрии пространства и времени, которая, как уже говорилось, не является идеальной. Что касается того, что материя имеет в качестве составляющих вещество, энергию (электромагнитное поле) и организацию, то эта концепция наиболее распространена. Однако в науке большинство мнений не является критерием истинности утверждения. Критерием истинности является лишь опыт, который, как было рассмотрено выше, подтверждает эту концепцию структуры материи. В самых общих чертах моделирование различных этапов эволюции материи можно представить блоксхемами: СОСТАВЛЯЮЩИЕ МАТЕРИИ ВЕЩЕСТВО ЭНЕРГИЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ 43 ВЕЩЕСТВА 1748 – 1765 Ломоносов Лавуазье Используется на практике ЭНЕРГИИ 1841 Р. Майер используется на практике ОРГАНИЗАЦИИ 1954 – 1965 Ж. Схоутен Ю. Г. Антомонов не используется на практике ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА Вещества в энергию 1905 – 1907 А. Эйнштейн Используется на практике, для органического мира не используется. 11 Вещества в энергию и организацию Еще не сформулированы, характерны для эволюции биосферы. Энергии в организацию Характерен для процесса обучения биосистем Вещества и энергии в организацию Не сформулирован, характерен для высших животных и человека. КОНЦЕПЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВСЕЛЕННОЙ . 11.1 Праматерия, адроны, лептоны, ф отоны. Впервые бельгийский астроном Леметр (1931) предложил гипотезу о «космическом яйце», из которого далее развивалась Вселенная. Еще раньше (1922) советский физик А.А. Фридман, используя теорию Эйнштейна, получил вывод о нестационарности Вселенной. «Яйцо» Леметра было неустойчиво и взорвалось. При разработке этой концепции ему уже было известно о существовании «красного смещения» в спектрах разбегающихся галактик. При расширении Вселенной атомы усложняются, доля водорода убывает, а доля атомов в середине таблицы Менделеева растет. Вначале была эра илема (стадия развития по Георгию Гамову) – первичного вещества. Оно было необычайно плотным. Это состояние материи назвали файрболом (огненным шаром). Дикс в 1963 г. пришел к выводу о существовании излучения илема. Последнее сохранилось и до наших дней с эквивалентной температурой 5-6 К. Его назвали реликтовым излучением. Илем содержит частицы с энергиями ~ 1012 эВ – адроны (мезоны и барионы) и фотоны, а также π, μ и К – заряженные и нейтральные частицы. Адронная эра длилась менее 0,1 миллисекунды и для неё характерно вещество с плотностью 1014 г/см3 и температурой 109 К. В лептонную эру (от 0,1 мс до 10 сек) доминируют π, μ – мезоны, электроны, позитроны и все виды нейтрино. К концу этой эры плотность материи снизилась до 104 г/см3, температура постепенно убывает и завершается аннигиляция пар электрон-позитрон с образованием пары фотонов. Это конец «файрбола» (огненного шара). Итак, за первые 10 сек предельно сжатые нейтроны илема превращаются в свет. Эра излучения – от 10 сек до миллиона лет с момента Большого Взрыва. В конце этой эры плотность стала равна 1020 г/см3, а температура ~ 3000 К. Во Вселенной возникли фотоны и электроны. Далее протоны и электроны превращаются в водород, а из него, взаимодействуя с нейтронами, образуется гелий. Вещество отделяется от излучения. 44 Далее начинается звездная, наша эра, с T < 3000 K и плотностью ρ < 10 г/см3 и зарождением жизни, от начала Большого Взрыва проходят миллиарды лет. Возникает гравитационная неустойчивость, образуются сгустки материи, переходящие в скопления галактик. В каждой из них образуются свои сгустки, то есть отдельные Галактики, затем звезды. Сейчас, по наблюдениям во Вселенной имеется 90% водорода, 9% гелия и 1% прочих сложных атомов (Вселенная еще молодая). Солнце в настоящее время содержит 81,76% водорода; 18,17% гелия и 0,07 % – прочих атомов. Земля же содержит в основном железо, которое образовалось в недрах Солнца в результате его взрыва как сверхновой. Сверхновые звезды – конечная стадия эволюции массивных звезд, которые израсходовали водород, температура их снижается, они за счет гравитации сжимаются – коллапсируют с ростом температуры до миллиардов градусов. При этом ситезируются различные тяжелые элементы. При взрыве звезды они поступают в окружающее её пространство. Солнце при таком взрыве стало нашей звездой второго поколения. Из тяжелых элементов возникли планеты. Когда Солнце остынет – энергия гравитационного поля превысит энергию электромагнитного поля излучаемых фотонов. Небольшие звезды, подобные Солнцу, сжатием достигают стадии белого карлика, когда гравитационные силы компенсируются отталкиванием электронов. Размер карлика по оценкам примерно равен размеру Земли. Звезды с массой больше массы Солнца превращаются в нейтронные. При очень больших массах коллапс доводит звезду до образования «черной дыры». Тогда вещество переходит в энергию гравитации. В зоне гравитационного радиуса – черная дыра. Из нее ни свет, ничто другое вырваться не может. Так примерно возникла солнечная система, размеры которой ограничены орбитой Плутона в 12 млрд. км или 11световых часов. Путь от Земли до Луны свет проходит за 1,25 сек (389.000 км). Прав был Пифагор (6 в. до н.э.), считая, что Земля вращается вокруг Солнца, как и позже к этому же пришел Аристарх. Но Птолемей на 14 веков заставил всех в угоду религиозным воззрениям считать, что Солнце вращается вокруг Земли. Далее Коперник, Дж. Бруно, и Галилей вновь убедили людей в гелиоцентричности солнечной системы. Тихо Браге и Кеплер измеряли параметры орбит планет. Боде установил следующую закономерность: если записать числа 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и потом каждый член ряда умножить на 3, а после этого к каждому члену добавить по 4, то получим ряд чисел: 4, 7, 10, 16, 28, 52, 100, 196, 392, 772. Если принять, что расстояние от Земли до Солнца равно 10, то эти числа ряда Боде представляют расстояния от планет до Солнца. Фактически же расстояния от Солнца до планет в этом масштабе равны 3,9; 7,2; 10; 15,2; 27,7; 52; 95,3; 191,9; 300,7; 395 для Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Астероида Цереры, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Лишь для Нептуна и Плутона плохое совпадение с этими цифрами Боде. Почему имеет место именно такая закономерность – непонятно, но в этом, наверное, что-то есть: как будто закодирован какой-то алгоритм сотворения нашей солнечной системы. –21 45 В нашей Галактике около 6000 видимых глазом звезд, а в телескоп – их тем больше, чем он лучше. Ольберс считал, что Вселенная бесконечна, как и число звезд в ней и что распределены они равномерно с одинаковой светимостью. Но это предположение приводит к парадоксу, который устраняется допущением о неравномерном распределении их в пространстве: Гершель (1764) установил, что на небесной сфере звезды располагаются так, что образуют чечевицу с центромСолнцем. В 1920 г. структура нашей Галактики была уточнена. Ее диаметр оценили в 55 тыс. св. лет – это большой ее диаметр. Еще Гершель выяснил, что Солнце движется к созвездию Геркулес со скоростью 20 км/с. Сейчас же считают, что Солнце находится не в центре Галактики, а довольно далеко от него. По последним данным размер нашей Галактики (Млечного пути) – 100 тыс. св. лет, а Солнце находится на расстоянии 27 тыс. св. лет от ее центра. В ней примерно 100 млрд. звезд. Солнечная система вращается вокруг центра нашей Галактики со скоростью 220 км/с, имея период обращения 230 млн. лет. За время существования Земли (4,7 млрд. лет) прошло ≈ 20 ледниковых периодов. То же самое имеет место и для блуждания магнитных полюсов Земли. Это согласуется с данными геодезических исследований. Множество галактик образует Метагалактику по Шарлю Месье (1917). Например, туманность Андромеды – самая близкая к нам Галактика (расстояния до нее 2,3 млн. св. лет). Параметры вращения нашей Галактики вокруг центра Метагалактики пока не известны. Рассмотрим разбегание Галактик. По Допплеру при движении источника света относительно наблюдателя происходит изменение частоты, воспринимаемой наблюдателем в сравнении с излучаемой. То есть спектры смещаются относительно их положений в спектрографах, когда излучатель неподвижен. Так можно измерять скорость удаления звезды от нас. Астрофизики научились, независимо от этого метода, измерять расстояние до звезд. Так и было установлено, что Вселенная разбегается. В 1963 г. обнаружили, что четыре линии (известной группы) сильно смещены, что отвечает удалению этих галактик от нас со скоростью 240.000 км/с. Эти звезды называют квазарами. Хаббл (1929) выяснил, что скорость разбегания небесных объектов от нас подчиняется закону: V км с 24км (с млн. св. лет) r млн. св. лет . То есть до квазаров типичные расстояния – миллиарды световых лет. Свет от квазаров не может достичь Земли, если они удаляются от нас со скоростью света. Это дает возможность оценить радиус Вселенной, равный 12,5 млрд. св. лет и дальнейший разлет Галактик приводит к росту их скорости и исчезновению с небосклона. Так вначале исчезнут квазары, затем и уходящие от нас Галактики. Но это случится лишь через 100 и более млрд. св. лет. 11.2 Модели Вселенной. В истории науки рассматривался ряд естественнонаучных картин Вселенной. Каждая из них отражала достигнутый уровень познания: Вселенная как весь земной мир (ойкумена); геоцентрический мир (вселенная Аристотеля — Птолемея); мир звезд (вселенная Гершеля); мир галактик — Метагалактика (вселенная Фридмана). Мы более подробно остановимся на теоретической модели расширяющейся Вселенной по Фридману. 46 Расширение Вселенной могло быть предсказано и в рамках ньютоновской теории тяготения в XIX , XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статичную Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в R начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая обПо щую теорию относительности, был уверен в стабильноСитте сти Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со ру стабильностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, По Фридман введя в уравнения так называемую космологическую поу стоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространственно-временного континуума. t Рис.10 При этом Эйнштейн утверждал, что континуум пространство-время сам по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение остальной материи в Метагалактике, так что в реРИС зультате Вселенная оказывается стабильной. Пытаясь . 3 спасти стационарность, Эйнштейн полагал пространство не искривлённым, основываясь на астрономических данных по наблюдению звезды Сириус. Её положение на небесной сфере смещалось во время солнечного затмения из-за притяжения луча света Солнцем. Следовательно, по Эйнштейну, Вселенная стационарна, однородна, но конечна и замкнута сама на себя (свет в ней движется по окружности). Но де Ситтер (1917) предположил, что Вселенная – трехмерная расширяющаяся сфера. Ее кривизна убывает, радиус же растет со временем, метрика стремится к евклидовой. По его (де Ситтера) модели радиус кривизны пространства R ~ t 3 2 (t – время). При t = 0 (начало) R = 0, а при t → ∞, R → ∞. Но и коэффициент k в законе Хаббла V = k·r (r – расстояние) также изменяется ~ 1 t . Сейчас он равен 24 (рис.10). В модели Фридмана (пульсирующая Вселенная) используется представление об однородности и изотропности пространства. В ней Вселенная вначале расширяется быстрее, чем по де Ситтеру, а затем радиус ее кривизны R начинает убывать вновь до нуля. То есть R(t) имеет вид, представленный на рис. 10. Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и, вовторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статичной. Таким образом, за несколько лет до открытия Хаббла нестационарность Вселенной была предсказана А.А. Фридманом. Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется. Как мы, например, уже знаем, все звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет по всему небу ночью Млечный Путь. Но если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно «примерно» одинакова во всех направлениях при наблюдении в масштабе, большем по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия. Долгое время это было единственным обоснованием R 47 гипотезы Фридмана как «грубого» приближения к реальной Вселенной. Но потом по некой случайности выяснилось, что гипотеза Фридмана и в самом деле дает удивительно точное описание нашей Вселенной. Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то исключительности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех 2 R 3 1 Рис.11 ВРЕМЯ t направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это есть вторая гипотеза Фридмана. Нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, но это было принято: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других её точках этого не было! По модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на которой нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя называть центром расширения. Притом, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. По модели Фридмана предсказывается, что красное смещение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие её предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на западе, и в лишь 1935 году американский математик А. Уолкер предложил сходные модели в связи с открытием Хаббла. Сам Фридман рассматривал только одну модель, но имеется три её модификации, для которых выполняются оба его фундаментальных предположения. Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. В первой модели Фридмана пространство 48 такое же, но только вместо двух измерений поверхности Земли имеет три измерения. Четвертое измерение время тоже имеет количественную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющего начало и конец. По второй модификации расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение, хотя и замедляет расширение, не может его остановить. На рисунке 11 (кривая 2) показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая восходит из 0, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть и третья модификация, по которой (рис.11 – кривая 3) скорость расширения Вселенной только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до 0 (коллапса). В этом случае расстояние между Галактиками сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, Галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля. Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец, расширяться или же будет расширяться вечно? Чтобы отдать предпочтение одной из модификаций, нужно знать скорость расширения Вселенной и её среднюю плотность. Зависимость исполнения сценария расширения Вселенной от плотности материи представлена на рисунке 12, где 1 — плотность материи во Вселенной больше критического значения; 2 — плотность материи во Вселенной меньше критического значения; ПРОШЛОЕ БУДУЩЕЕ 1 3 2 ВРЕМЯ Рис. 12 3 — плотность материи во Вселенной равна критической. 0 t Космология Фридмана позволяет проследить, как с течением времени менялась плотность Мира. Оказывается, что возраст Вселенной, то есть время «t», прошедшее от начала расширения до некоторого момента времени в истории Вселенной, связана с плотностью «» формулой t 1 , G где G = 6,67* 10-8(см3/г с2) 7*10-11(H*м2/кг2) – гравитационная постоянная. При увеличении возраста Вселенной до одной секунды плотность её составляет приблизительно 5*105 г/см3; плотность сравнимая с плотностью атомных ядер 49 1015 г/см3, была при возрасте 20 микросекунд, а плотность 1г/см3 была достигнута уже через десять минут после начала расширения. Соотношение между временем расширения Вселенной и плотностью её материи получены в модели Фридмана в результате решений сложных уравнений общей теории относительности. По общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, в основе которой лежит предположение о том, что законы науки должны быть одинаковы для всех наблюдателей независимо от того, как движутся эти наблюдатели. В ОТО существование гравитационного взаимодействия объясняется искривлением четырехмерного пространства-времени. Вселенная расширяясь, испытывает разнообразные эволюционные изменения. С теоретической точки зрения невозможность покоя и статичности во Вселенной следует из закона всемирного тяготения так как все тела притягиваются друг к другу и сила их взаимного притяжения ничем не компенсируется, эти тела должны находиться в движении. При общей однородности распределения вещества такое движение означает либо общее сжатие, либо общее расширение мира. Этот вывод и был получен А. А. Фридманом на основе общей теории относительности, служащей обобщением ньютоновского закона всемирного тяготения. Эйнштейн полностью принял теорию Фридмана и стал на его точку зрения, хотя и не без колебаний. Первым откликом Эйнштейна на работу Фридмана, опубликованную в 1922 году в ведущем международном журнале физиков, была краткая критическая заметка в том же журнале, в котором основной вывод Фридмана характеризовался как ошибочный, однако, последовала вторая заметка; в ней Эйнштейн писал: «... моя критика как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет». 11.3 Этапы и временная организация Вселенной. Что касается «предъяйцовой» стадии эволюции Вселенной, то она обсуждается лишь на уровне гипотез. Считают, что вначале была «пустота», заполненная водородом. За счет гравитации водород, сжимаясь, образовал «яйцо». Сейчас оно находится в середине своей эволюции. Вопрос заключается в том, когда разлет Галактик сменится сжатием Вселенной? С учетом постоянной Хаббла мы получили оценку момента от начала Большого Взрыва – t ВЗР 1 3 1017 сек 1010 лет . Это близко к более точной дате астk рофизиков – 12,5 млрд. лет. Если гравитация погасит разлет, то начнется сжатие Вселенной и т. д. Сендейдж, изучая распределение квазаров, пришел к идее о пульсирующей Вселенной с циклом 82 млрд. лет. У индийцев есть упоминание о большом космическом цикле («дыхание Брахмы»). «Выдох» – расширение – 144 млрд. лет. Оценка показывает, что для обращения оставшихся 90% водорода в гелий во Вселенной потребуется еще 125 млрд. лет. Поэтому предпочтение нужно отдать космологии древних индийцев (они считают, что период пульсаций Вселенной 288 млрд. лет). В чем смысл «дыхания» Вселенной? Временную организацию космоса можно представить в виде таблицы 1 50 Ритмы Процессы Земли Солнечной системы, Галактики, Вселенной Вселенных? Период вращения вокруг своей оси => сутки Период обращения вокруг Солнца=> год Период обращения вокруг центра галактики =>230 млн. лет Период обращения вокруг центра Метагалактики период пульсаций (расширение - сжатие) => 82 млрд. лет (Сендейдж), =>288 млрд. лет – по «Махабхарате» Период пульсаций (расширения-сжатия) =>160 ·1052 млрд. лет по Бируни Эволюцию нашей Вселенной можно представить в виде таблицы 2 Этапы усложнения материи Начало Элементы Функции Стадия Конец этапа Результат этапа системы элементов «Яйцо» Галактики Сжатие в Нейтроны ядро Сжатие в ядро галактики Водород Возникли протоны и электроны Взрыв, разлет вещества Образование ядра галактики Ядра сложных элементов Взрыв, разлет вещества Взрыв, разлет вещества Образование водорода Образование гелия Образование Звезды C, O и др. атомов Элементы Образование Сжатие в периоди- Образование молекул, макПланеты –– планеты ческой молекул ромолекул, системы биосферы Советский астроном К.П. Станюкович (1964) выдвинул иную идею – «спящих» частиц – планксонов. Их геометрические размеры равны их гравитационным радиусам. Поэтому планксоны – идеальные микровселенные Эйнштейна, замкнутые на себя. Они имеют конечную массу и объем. Когда планксон «просыпается» и «открывается» на нашу Вселенную, то он один может дать ей около 1020 обычных элементарных частиц. Поэтому считают, что ненаблюдаемая масса Метагалактики в 1020 раз больше наблюдаемой, Станюкович также считает, что наша Вселенная – гигантский планксон среди разных вселенных, замкнутых, расширяющихся, сжимающихся. Циклические «дыхания» нашей Вселенной необходимы для изменения количества элементарных частиц в ней, для уменьшения их массы и увеличения энергии во Вселенной. Когда-нибудь наша Вселенная вступит во взаимодействие с другой Вселенной, дав жизнь новым частицам, которые начнут новый этап эволюции. Аль Бируни (2 век), будучи в Индии, узнал о цифре продолжительности «Дня Шивы» равной 160 ·1052 млрд. лет. В этот промежуток 5 ·1051 млрд. раз укладывается самый крупный космический цикл расширения и сжатия Вселенной (320 млрд. лет). Но Сжатие в звезды Водород, гелий 51 есть еще «ночь Шивы» – это загадочные цифры древнеиндийской космологии, взяты из Махабхараты (древнеиндийская мифология). 12 ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ. ФОРМЫ 12.1 Эволюция микромира до простейших мол екул. В 1948 г. Гамов и Бете выдвинули теорию образования химических элементов из нейтронов космического «яйца» – илема. Речь идет о реакции распада нейтрона и превращении его в протон и электрон: n 0 p e . Далее протон захватывает электрон, образуя атом водорода. Из множества комбинаций (каналов реакций) реализуется ядерная реакция с выходом энергии 1n +1p→ 2D с образованием дейтерия. Далее точно также идет реакция образования трития (один протон и два нейтрона в ядре). Затем образуется гелий и прочие элементы таблицы Менделеева. Из образовавшихся комбинаций ядер лишь некоторые устойчивы (стабильны). При этом «промежуточные» нестабильные ядра могут давать далее стабильные. Понятно, что чем стабильнее ядра (чем больше их период полураспада или время жизни), тем больше их во Вселенной. Распространенность элементов во Вселенной непрерывно меняется. В теории Георгия Гамова есть и слабое место – не вполне укладывается в нее факт образования ядер углерода 6 C12 (6 протонов и 6 нейтронов). По другой звездной теории водород – единственный исходный материал во Вселенной. Остальные элементы образуются в недрах звезд и вылетают из них при взрывах. Так образуется и 6 C 12 из трех ядер гелия. Далее из атомов образуются молекулы, начиная с температуры ниже некоторой критической. Этот путь длинен, особенно для высокомолекулярных соединений. У последних возникают качественно новые свойства, которых не было у атомов. Набор нейтральных атомов обладает уже определенным О-С-(OH) набором физических и химических свойств. На Земле, например, | золото составляет всего лишь 5·10–7 % (распространенность) от H-C-(NH2) всего числа атомов, тем не менее, в некоторых рудах его очень | много. Это объясняется сегрегацией, поскольку кристаллизуются R с «выгодой» энергии лучше всего однородные атомы. Когда атоРис. 13 мы теряют или приобретают лишние электроны, они могут образовывать молекулу. Так могут образоваться все молекулы: кислоты, щелочи, соли и так далее. В биосистемах есть все атомы из таблицы Менделеева. Более сложны по структуре органические соединения. Под органическими соединениями (1-я версия) понимают такие, в которых есть углерод, а под неорганическими – все остальные. Однако CO2 – неорганическое соединение. По другому определению органическими называют соединения, которые есть в живых организмах. Но это тоже неточно, ибо на Солнце есть, например, углерод в соединении с самим собой, с водородом и азотом – C2, CH, СN и так далее (смотрите рис.13). 52 Из неорганических веществ удалось получить мочевину – органическое вещество: CO2 + NH3 → мочевина. Ее синтезировал Ф. Вёлер в 1828 г., при этом ему пришлось поддерживать температуру до 150°С и давление в 150 атмосфер. 12.2 От неживого к живому. Редуплик ация. В 1953 г. Миллер и его группа смоделировали процессы, происходившие на Земле миллиарды лет назад. В установке использовалось электрическое поле, ультрафиолетовое излучение, вода и другие компоненты. Они сразу же обнаружили 5 аминокислот. Итак, синтез органических соединений возможен сам собой в природе. А ведь из аминокислот образуются белки и нуклеиновые кислоты. Во всех реакциях синтеза реакционная смесь должна носить восстановительный характер (а не окислительный). Все это происходит и в атмосфере Земли, которая сейчас имеет окислительный характер, так как в ней есть O2, N2, H2O, CO2. Опыт показывает, что в окислительной среде органического синтеза не наблюдается. Поэтому раньше атмосфера Земли (восстановительная) должна была содержать много углерода. Так ли было? Например, атмосфера Юпитера богата соединениями углерода. В первичном земном океане было много восДНК РНК становительных реакций, все более усложняющихА……..Т А……..У ся, видимо потому, что примерно за 2 млрд. лет в Г……...Ц Г….….Ц океане Земли природа «подобрала» из множества Ц….…..Г Ц….….Г сочетаний веществ такие, из которых возникли биоТ……..А У……..А логические системы. Действительно, оперируя соРис. 14 четаниями из 29 молекул, можно «описать» сложную структуру основных органических соединений, входящих в клетку 20 аминокислот (для построения белка и ферментов). Сюда же входит 5 азотистых соединений (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т), а также рибоза (или ее производная – дизоксирибоза, фосфорная кислота). Из них уже образовываются все нуклеиновые кислоты, рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые Фосфорная кислота Сахар Органическое основание Рис.15 Структурная схема белковых макромолекул нуклеотидов (ДНК) (смотрите рис.14). Входят сюда и глюкоза, жиры, фосфаты. Глюкоза – основной продукт фотосинтеза – главный источник энергообмена. Жиры запасают энергию, фосфатиды могут формировать структуру. Все 29 аминокислот (наиболее важные из них аланин, лейцин, цистеин, глутаминовая и аспаргиновая кислоты) имеют единый принцип построения. На одном конце молекулы располагается группа COOH. На втором атоме углерода – группа NH2. Далее цепляется остаток R из одного атома водорода и более сложной циклической структуры из атомов углерода. На рисунке 13 приведена структурная формула аминокислоты. Они могут соединяться в длинные цепи от 100 до 30000 звеньев. Это макромолекулы белков. Их свойства определяются числом аминокислот и чередованием последних в макромолекуле, что обусловливает громадное число белков. Если построить белки длиной в 100 аминокислотных остатков, то за счет 53 перестановок можно получить 10130 различных вариантов белка. Это в 1012 раз превышает число атомов в нашей Вселенной (10118). Органические основания обладают слабовыраженными основными свойствами. Два типа оснований используются в макромолекулах РНК и ДНК: пиримидины – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У) и пурины – аденин (А) и гуанин (Г). Основу строения оснований составляют замкнутые кольца, содержащие азот и углерод (смотрите рис.14). Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, содержащих одну молекулу фосфорной кислоты, одну молекулу сахара и одну молекулу органического основания (смотрите рис. 15). Нуклеотиды соединяются между собой в полинуклеотидные соединения на основе рибозы или дезоксирибозы. То есть так различают РНК и ДНК. Цепи нуклеиновых кислот содержат от 77 до 107 нуклеотидов. РНК – носитель информации о структуре белка. Это получается за счет того, что в нем имеет место определенный порядок чередования аминокислот. Однако первичным носителем информации о строении белка является ДНК. ФосфорФосфорная Фосфорная Рибоза Аденин ная кислокислота кислота та Аденозин Аденозинмонофосфат => АМФ => Аденинрибозануклеотид Аденозиндифосфат => АДФ Аденозинтрифосфат => АТФ Рис. 16 Схема образования источника энергии для процесса эволюции белковых макромолекул Синтез макромолекул энергозатратен. Эта энергия берется из аденозинтрифосфата (АТФ), в которой связь между второй и третьей фосфатной группой может высвобождать химическую энергию. АТФ – разменная энергетическая единица в мире белковых макромолекул (смотрите рис. 16). На уровне макромолекул возникает новое качество – редупликация. Благодаря ей материя получила возможность воспроизводить сложные молекулы при благоприятных условиях. Это обусловлено тем, что органические основания ДНК и РНК (по 4 в каждой из нуклеиновых кислот) могут связываться между собой только одним способом. При этом каждый раз пурин связывается с пиримидином. Для ДНК и РНК существует свой дополнительный (комплиментарный) набор оснований. Заметим, что для редупликации (рис.17) нужны свободные нуклеотиды, особые ферменты и энергия соединений АТФ. 12.3 Генетика и эволюция, наследственность, информация, размножение. 54 Естественно новой ступенью в сравнении с редупликацией является размножение живых организмов. Что касается человека и животных, то их организм развивается всего из одной клетки, хотя в его состав входят миллиарды их. В настоящее время уже научились выращивать (клонировать) из единственной клетки весь организм. Так, в Англии совсем недавно клонировали овцу. У медиков и генетиков в связи с этим возникли нравственно-этические проблемы. Рассмотрим подробнее процесс размножения клеток, в котором из одной клетки (зиготы), образованной слиянием яйцеклетки и сперматозоида, образуются миллиарды их. Яйцеклетка состоит из цитоплазмы, вырабатывающей все необходимое для роста организма, и ядра, обеспечивающего программирование активности и определяющего ее общее направление развития. Ядро состоит из 23 пар хромосом. Каждая из них содержит тысячи генов, ответственных за различные аспекты строения организма: размеры тела, цвет волос, глаз и так далее, в том числе и за продолжительность жизни. Носителем наследственности с ее генетическим кодом является ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Она передает закодированные в себе инструкции в цитоплазму через другую, синтезируемую с ее помощью кислоту РНК – рибонуклеиновую. РНК, выходя из ядра, налаживает работу цитоплазмы и заставляет ее вырабатывать белки в соответствии с планом ДНК. С момента образования зиготы рост организма осуществляется за счет последовательных клеточных делений. Ядро клетки (зиготы) делится при этом надвое, что приводит к разделению генетического материала между двумя образующимися ядрами, и происходит восстановление в каждом из них 23 пар хромосом. Каждая из дочерних клеток получает только по 23 хромосомы (по одной из каждой пары) и поэтому содержит в себе половину генетической информации, которой располагают мать и отец. Эти клетки половые – гаметы. Число возможных сочетаний генетического материала в оплодотворенных яйцеклетках огромно. Этим и определяется уникальность каждого появляющегося на свет человека. Хромосомы первых 22 пар одинаковы у обоих полов. У мужчин 23-я пара имеет хромосомы "X "и "Y", а у женщин – "Х" и "Х". Бывают аномалии в наследственном аппарате, когда попадается лишняя хромосома из 21-ой пары (трисомия) – монголизм – задержка умственного развития. Иногда бывают аномалии в делении половых хромосом: в зиготе есть только Ххромосома (а не хватает второй "Х" хромосомы). Это синдром Тернера – наличие женских половых органов при отсутствии яичников. Иногда 23-я пара зиготы несет только "Y" хромосому и тогда она вообще не жизнеспособна. Бывает, что 23-я пара содержит в себе вместо двух хромосом три (синдром Kleinfeld(a)) – "Х Х Y" –это дает мужские половые органы в сочетании с типично женскими вторичными половыми признаками. В одном случае из тысячи, лишней является "Y" хромосома (XXY) – сверхмужские признаки и умственное недоразвитие. Передача признаков генами происходит так. Восстановление полного набора хромосом в ядре зиготы приводит к тому, что каждый ген будет здесь представлен двумя экземплярами по одному от отца и от матери. Если ген данного признака доминируем, то этот признак появится «автоматически». Если ген рецессивный, то в присутствии доминантного гена он обречен на безмолвие и способен проявиться, 55 если второй ген той же пары будет рецессивным. Поэтому некоторые наследственные признаки одного из родителей у ребенка могут навсегда остаться в скрытом состоянии и могут проявиться лишь в следующем поколении (голубой цвет глаз). Рождаются и близнецы. В 16 случаях из 1000 у матерей рождается двойня. Иногда они идентичные. Такие близнецы развиваются из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Это однояйцовые близнецы, то есть два существа возникают из одной зиготы, так как после первого клеточного деления каждая из дочерних клеток начинает расти независимо друг от друга. Неидентичные (двухяйцевые) близнецы развиваются из двух разных клеток, освободившихся из яичников одновременно и оплодотворенных двумя различными сперматозоидами. Тогда в стенку матки внедряются и растут рядом два эмбриона с разными генотипами (тогда будут два брата, или две сестры, или брат и сестра). Итак, ядро клетки содержит 23 хромосомы с тысячами генов. Гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды) содержат только 23 (непарных) хромосомы, а полный их набор восстанавливается лишь при оплодотворении яйца (образовании зиготы). Пол зародыша определяется хромосомами 23-ей пары. У женщин они одинаковы, а у мужчин разные. Эти хромосомы имеют одинаковый шанс (50%) попасть в ядро сперматозоидов. То есть вероятность появления мальчика или девочки одинакова. Рецессивный ген в присутствии доминантного (определяющего) бездействует. Хромосомные аномалии ведут к ситуациям, затрагивающим половую дифференцировку (различие). 12.4 Усложнение организации на уровне макромолекул . Вернемся к рассмотрению того, как развивалась организация множества макромолекул, постепенно эволюционировавшая в клетки. Составляющие белка – органические молекулы (ДНК, РНК, АМФ, АДФ, АТФ) возникли в первичном океане Земли в восстановительной атмосфере. Возникли сами собой (точнее могли возникнуть). Оказалось, что в кометном веществе есть соединения и элементы H, N, C, O, HCN, NH2, H2O, CO, CO2, C2H2, CH4, C2N2, примеси Fe, Ni, Ca, Mg и другие. Условия жизни весьма разнообразны и даже неожиданны. Возможна и кремниевая основа жизни. Например, некоторые африканские растения образуют кислоты с фтором, они ядовиты, но растения к ним приспосабливаются. Есть и организмы, которые могут развиваться в аммиачной атмосфере. Например, живут в хлорной извести при температурах от минус трех до минус 48 градусов по Цельсию в Антарктиде бактерии и водоросли. Значит, при создании макромолекул исключительную роль могут играть соединения, содержащие C, H, CH4, Si и так далее. При этом путь от атомов к макромолекулам реализуется непременным усложнением организации материи. При этом, как уже говорилось, появляется редупликация – воспроизведение структур себе подобных. Они образуются спонтанно, они стабильны. Схожие молекулы небиологическим путем образуют скопления – сегрегации. Некоторые молекулы копируются и это было уже около 4 млрд. лет назад. Приобретается свойство мутации, появляется естественный отбор. 56 Основной закон открытых систем (биосистем) – уменьшение энтропии, то есть рост организации молекул. До академика Опарина считалось, что жизнь либо самозародилась, либо существует вечно. Он же в своей книге «Происхождение жизни», приводя цепочку рассуждений о её эволюции, показал как она могла зародиться. Его центральная идея – обособление частей от целого для дальнейшего совершенствования (как и в галактиках, из которых точно так же образовались звезды). В «бульоне» океана молекулы редуплицировали, воспроизводя свою структуру. Для воспроизведения нужны аминокислотные остатки и органические основания. Обособление шло либо объединением больших макромолекул одного вида с созданием пленок (при этом пленка-мембрана может случайно свернуться, замкнув группы молекул в себе). Из этого замкнутого пространства одни молекулы уходили через мембрану (пленку), другие оставались как материал для редупликации. По Опарину возможна и другая реализация обособления группы макромолекул от среды с образованием коацерватов. Это состояние Рис.17 Редупликация ДНК характерно для молекул водопоглащающих и при этом вокруг них образуется слой молекул H2O, но уже не свободных, а связанных. Так образуются комплексы с водной оболочкой. Эти коацерваты – праотцы клеток (шарики из белковых пленок). Началась их специализация («разделение труда») части клеток это органеллы. В клетке рибосомы производят белок, митохондрии – дают энергообеспечение, хромосомы отвечают за наследственные признаки и структуру белка, вакуоли поддерживают тонус клетки и выводят из нее отходы, хлоропласты за счет фотосинтеза дают энергию, эндоплазмическая сеть – структурирование в клетке и транспортную сеть, диктиосомы синтезируют материал клеточной мембраны. Укажем наиболее важные свойства этих клеток. Рибосомы (диаметр примерно 150.10–10 м) могут образовывать цепи (полирибосомы), РНК содержатся в рибосоме, молярный вес РНК с рибосомным белком равен 6.10 6 кг/киломоль. Митохондрии – нитевидные зернышки (пункты клеточного дыхания). Хромосомы – носители сведений о структуре белка в клетке, они состоят из ДНК (участвуют в делении клеток). Вакуоли содержат воду и выбрасывают ее из клеток (лишнюю). В хлоропластах находится хлорофилл, поглощающий энергию Солнца. Они из CO2 и воды, и света образуют глюкозу. По прямым каналам эндоплазменной цепи проходят молекулы, «стройматериал» клетки. 57 Диктиосомы синтезируют различные вещества. На основе организации у клетки возникает функция, дающая способ ее воспроизведения путем деления. Заметим, что причины клеточного деления до конца не выяснены. Что, например, дает сигнал к делению? Процесс деления зато известен более детально. Обычно клетки делятся за 1,5 – 2 часа. Все неясности здесь относятся к редупликации молекул. Существует и другой способ – бесполовое размножение делением – митоз (у низших организмов). Сейчас считают, что редупликация предшествует возникновению клеток, а клетки поставили себе это свойство на пользу. 12.5 Усложнение организации материи от клетки до организма. Итак, мировой океан наполнился клетками и простейшими организмами. Их полупроницаемые мембраны в клетки пропускают аминокислоты и основания. Все это перерабатывается в белки, число клеток растет. Наконец исходного материала стало не хватать. Тогда они «ждут», когда появится питательное вещество. Простейшим организмам приходится усваивать более простые вещества из среды, стала возрастать роль фотосинтеза. Появились колонии клеток, они объединяются. Начала возникать специализация клеток. Это длительный процесс. Постепенно они прошли путь от свободных подвижных соединений к организму, где колонии клеток становятся органами, способными существовать самостоятельно. Система их объединилась в единое целое. Таких систем по типу было множество. Все они по-разному функционировали и питались. Настала пора создавать организмам себе подобных (размножением). Повидимому, информация обо всем организме «дремлет» в каждой клетке до поры до времени (голографическая идея). Действительно, из клетки эпителия кишечника лягушки удалось вырастить целую лягушку. При этом информация ядра клетки разворачивается. Сейчас научились клонировать организмы животных всего лишь из одной клетки. Поэтому есть надежда воспроизвести мамонта, найденного недавно на Таймыре в слое вечной мерзлоты. Клетки штампуют идентичных близнецов. При размножении появляются наследственные признаки. Различные сочетания наследственных качеств у потомков приводят к разнообразию возможностей приспособОшибка! Элементы указателя не найдены.ления организма в среде. Существует всего пять хромосом, создающих наследственные признаки – это материал ДНК. 13 ОТ СУЩЕСТВУЮЩЕГО К ВОЗНИКАЮЩЕМУ. 13.1 Время в классическом макромире . В естествознании более 100 лет была парадоксальная ситуация, когда второе начало термодинамики утверждало, что макросистема, будучи изолированной, стремится к наиболее вероятному состоянию «максимального разнообразия» (которому соответствует наибольшее число микросостояний, каждое из которых представляет одно и то же макросостояние). Однако феномен жизни это опровергает полностью (Дарвин). Только недавно удалось приблизится к пониманию такой ситуации путем создания физической теории открытых систем, которая объединила обе эти концепции. Причем, возникала даже нелинейная (70-80 г.г. XX века) нерав58 новесная термодинамика – диссипативных самоорганизующихся структур – трудами И. Пригожина. На этой базе появилась новая междисциплинарная область знаний – (по Хакену) синергетика, что в переводе с греческого означает совместное кооперативное действие. Впервые вопросы зарождения жизни, отбора и эволюции были рассмотрены теоретически, хотя и сугубо качественно с чисто физических позиций. Этим самым был перекинут мост от квазистатических явлений к развивающимся. Коснулось это и времени. Как уже говорилось, по Ньютону, при замене времени t -t ускорение не изменяет знак (так как оно имеет размерность м/сек2). То есть движение с отрицательным временем эквивалентно движению с положительным временем. И процессы во времени получаются обратимыми. То же самое в механике Эйнштейна и в электродинамике, квантовой механике. Таким образом, ничто не запрещает событиям разворачиваться в направлении как от 0 до t, а так и от 0 до -t. Реально же, если бы t менялось от 0 до -t, то мы видели бы нереальные процессы: цветок, например, сначала бы цвел, а затем уходил в землю. Значит ли это, что такие процессы запрещены? В общем опыт убеждает нас в направленности развития событий: разрешенность t > 0 и запрет t < 0. Далее о времени можно сказать, что для него была выбрана астрономическая шкала. Выбор начала отсчета ни на что не влиял, следовательно, время течет равномерно (на основе периодичности астрономических явлений). Время однородно (с некоторой натяжкой), но не изотропно. Такая его двойственность приводит к тому, что некоторые законы физики могли быть другими, если бы мы время отсчитывали не по астрономической шкале, а по какой-либо нелинейной к ней шкале. 13.2 Необратимость процессов и «стрела врем ени». Понятие необратимости течения времени возникает только при рассмотрении систем с большим числом частиц. Тогда приходится отказаться от использования, причем вынужденно, микропараметров. При таком подходе большое число частиц приводит к качественно новому состоянию – к одной лишь последовательности процессов во времени (выравнивание температур в изолированной системе и т.д.). Машинный эксперимент с 1000 шариками-атомами показал, что независимо от начальных условий система приходит в состояние с равномерным распределением частиц в пространстве. Откуда же берется это новое качество в системе частиц? Дело здесь в том, что частиц стало много и начальные условия в таком случае самые разнообразные и в постановку задачи нужно внести элемент случайности! Если машину заставить обратить время (t -t), то она снова «соберет» все частицы в их начальные положения, но с точностью до ошибок вычислений! Чтобы процесс стал необратимым, необходимо ввести в расчет дополнительные элементы случайности: надо учесть, что частицы имеют конечные размеры, и их соударения в этом случае будут в основном нецентральные, и молекулы стенок сосуда хаотично движутся. В таком случае расчет показывает, что данный процесс необратим. Получается парадоксальный вывод: появление направленности процесса в системе многих частиц есть следствие случайности! Здесь появляется вероятностный элемент, которого не было в классической физике. Но ведь, даже и задача трех тел тогда не решается, что же говорить о системе многих частиц? Детерминистский принцип в таком случае для многих частиц не применим! В итоге к тому же разные 59 начальные условия приводят к одному и тому же конечному макрорезультату. Количество переходит в качество! Если состояние системы меняется в определенной последовательности, то эту последовательность естественно связать с направленным течением времени, т.е. ввести понятие «стрела времени». Если обратный процесс не наблюдается, то значит нельзя изменить и знак времени! В «отрицательном времени» события не происходят. Каждому состоянию системы отвечает значение энтропии S(t), причем, изменения её во времени для необратимых процессов, например, при диффузии «чужеродных» атомов – необратимый процесс возрастает, то есть dS/dt > 0 , что является одной из формулировок начала термодинамики и следовательно, dS > 0, и должно всегда выполняться условие dt > 0. Поэтому утверждение о направленности времени приобретает фундаментальный смысл. Следовательно, показателем направленных необратимых перемен в системе является мера возрастания энтропии во времени. Причем, энтропия характеризует как пространственное распределение частиц, так и пространственное распределение энергии, то есть она зависит от двух важнейших макропараметров сложной системы. Получающиеся при этом уравнения состояний системы уже неинвариантны относительно времени. 13.3 Флуктуации, бифуркации, аттрактор . Для сложных систем, как выяснилось выше, существует «стрела времени». В них, например, броуновские частицы движутся хаотично. Это движение во времени не прекращается никогда, даже в состоянии равновесия имеют место отклонения в концентрации вещества как в большую, так в меньшую сторону – это флуктуационные движения. Флуктуация – свойство микросистем. Обычно их влияние пренебрежимо мало. Однако, если воздействовать внешней силой (например, периодической), то амплитуда колебаний в системе начинает возрастать. Качественное изменение объекта при некоторых критических значениях, определяющих этот объект параметров, называется бифуркацией. При бифуркациях выбор направления развития процесса определяется случайными факторами (например, если точка подвеса математического маятника колеблется, то флуктуация разрастается). В случае длительной во времени флуктуации она будет долгоживущей и речь идет о самоорганизации в этом процессе и тогда из внешней среды «отсасывается» энергия. Оказалось, что всякое развитие сложной системы, выражающееся в проявлении нового качества, возможно только при наличии в системе флуктуаций, склонных к разрастанию. Примером являются «ячейки» Бенара в нагреваемой жидкости. Это верно и для человеческого общества. В этом случае появляется порядок из хаоса и уменьшается энтропия системы. Самоорганизация возможна только в средах значительного объема (точнее с большим числом частиц). Для ее поддержания нужен постоянный приток внешней энергии. Она может идти только в реальных, а не в идеальных системах. При этом необходимо, чтобы между частицами было какое-либо взаимодействие, и оно всегда есть. Таким образом, самоорганизация возникает как ре60 зультат совокупного действия большого числа какого-либо вида молекулярных сил. Иногда самоорганизация возможна и при «отсосе» энергии. Например, охлаждение жидкости кристаллизует ее, но при этом обязателен контакт с внешней средой (открытость системы). При переходе к открытым системам нужно еще учитывать уход энтропии через границы системы. Тогда полный прирост энтропии dS может иметь оба знака. В системе Земля-Солнце dS>0, но для Земли dS3<0. Примером самоорганизации системы является раствор, в котором идут химические реакции, когда в растворе появляются концентрические волны с периодом изменения цвета раствора («химические часы»). Это реакция Б. Белоусова и А. Жаботинского. Заканчивается она после прекращения поступления в раствор одного из веществ, участвующих в реакции. 13.4 Самоорганизация и условия существования живых о рганизмов. По-видимому, жизнь на Земле возникла за длительное время за счет флуктуаций в «первичном бульоне». В нем возникли флуктуации, которые привели к бифуркациям. Возникла, так называемая, самоорганизация на молекулярном уровне. Колонии молекул оказались способными к новым флуктуациям и бифуркациям. В процессе эволюции возникли простые организмы. Флуктуации проявляются в объемах все более сложных систем, эволюционирующих вплоть до возникновения живых организмов за счёт подвода энергии извне. Причем для них характерен уже естественный отбор. Этот процесс носит чисто случайный характер. И именно подвод энергии от Солнца обуславливает возникновение биосферы. Ее компоненты – открытые системы. То, что масса человека за год практически не меняется, означает, что пища им используется лишь для транспорта энергии. Значит, получая энергию, человек (его организм) должен увеличивать энтропию внешней среды. Съедая более высокоорганизованную пищу, он выделяет менее организованную. Итак, транспорт веществ в биосфере можно схематически представить так: почва растение животное. почва почва Если бы вещество накапливалось в растениях и животных при их росте, то тогда почва обеднела бы и на этом бы цикл закончился смертью. Чтобы спасти жизнь природа ввела смерть растений и животных. В умершем организме изменение энтропии dS>0, все идет к хаосу. Вещество возвращается в почву. Итак, со смертью отдельных представителей живой природы возникают условия жизни всей биосферы. Именно поэтому живые организмы запрограммированы на конечность их существования, то есть на смерть. Во многих религиях смотрят на смерть как на необходимый этап жизни! Круговорот вещества как переносчика энергии в биосфере хорошо сбалансирован. Никаких нарушений этого баланса быть не должно. Именно это и приводит к первостепенности самого факта существования человечества и к необходимости решения экологической проблемы для него. 61 14. ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИИ И ВОСПРОИЗВОДСТВА БИОСИСТЕМ. 14.1. Положения теории Дарвина об эволюционном процессе. Доказательством универсальности принципа И. Пригожина об устойчивости направления течения процессов с минимальной производством энтропии (в открытых системах) является и направленность процессов в живой природе. Эта её самоорганизация, ежесекундно проявляющаяся в жизни, естественно, в отличие от неживой природы имеет ряд специфических особенностей. На это впервые обратили внимание такие естествоиспытатели как Ламарк и Дарвин, хотя первопричина самоорганизации всей Природы едина. Остановимся кратко на некоторых особенностях самоорганизации (эволюции) живой Природы. Выдающаяся заслуга Ламарка заключается в создании первого эволюционного учения. Он отверг идею постоянства видов, противопоставив ей представление об изменяемости видов. Его учение утверждало существование эволюции как исторического развития от простого к сложному. Впервые был поставлен вопрос о факторах эволюции. Ламарк совершенно правильно считал, что условия среды оказывают важное влияние на ход эволюционного процесса. Он был одним из первых, кто отметил чрезвычайную длительность развития жизни на Земле. Однако Ламарк допустил серьезные ошибки, прежде всего в понимании факторов эволюционного процесса, выводя их из якобы присущего всему живого стремления к совершенству. Также неверно понимал причины возникновения приспособляемости организмов, прямо связывал их с влиянием окружающей среды. Это породило очень распространенные, но научно совершенно необоснованные представления о наследовании признаков, приобретаемых организмами под непосредственным воздействием среды. Эволюционное учение Ламарка не было достаточно доказательным и не получило широкого признания среди его современников. Основные принципы эволюционного учения Дарвина сводятся к следующим положениям: 1. Каждый вид способен к неограниченному размножению. 2. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности беспредельного размножения. Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства. 3. Гибель или успех в борьбе за существование носят избирательный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые имеют наиболее удачное для данных условий сочетание признаков, т.е. лучше приспособлены. Избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов Ч. Дарвин назвал естественным отбором. 4. Под действием естественного отбора, происходящего в разных условиях, группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки. Группы особей приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. Крупнейшие ученые в разных странах способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок и сами вносили вклад в ее дальнейшее развитие. Дарвинизм оказал сильнейшее влияние не только на биологию и естественные науки, но и на общечеловеческую культуру, способствуя разви62 тию естественнонаучных взглядов на возникновение и развитие живой природы и самого человека. 14.2 Очаги и признаки развития жизни на Земле представлены таблицей 3 Название эры ОЧАГИ И ПРИЗНАКИ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ Архей В осадочных породах древностью в 3,5 млрд. лет обнаружены биополимеры. Возникновение первых прокариот – бактерий и сине – зеленых. Нитчатые водоросли. Неорганические вещества суши и атмосферы превращаются в органические. Гетеротрофные организмы появляются и на суше. Образуется почва – продукт взаимодействия живых организмов с неорганическими соединениями верхнего слоя земной коры. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, воды, начинается накопление СО2 и О 2. Организмы используют запас соединений углерода. Прокариоты, выделяя большое количество кислорода, насытили им воду. Этим была создана предпосылка для появления гетеротрофных организмов – животных. Протерозой Деятельность водорослей увеличивает количество кислорода в атмосфере, что стало первой предпосылкой для выхода живых организмов из моря на сушу. На грани с архейской эрой произошел период горообразования. Бактерии и водоросли достигают исключительного расцвета. Интенсивный процесс осадков шел с участием этих организмов. Образование крупнейших залежей железных руд органогенного происхождения. Расцвет эукариот – зеленых водорослей. Появляются нитчатые и многоклеточные формы, прикрепленные ко дну. Отмечены представители низших грибов. Возникли первые многоклеточные животные. Расчленение тела на части, одни их которых служат для прикрепления к твердому субстрату, другие – осуществляют фотосинтез. Возникновение многоклеточности. Возникают кольчатые черви, от которых произошли моллюски и членистоногие. Ранний Климат – умеренный, материки – неизменные. палеозой Животные и растения населяли в основном моря. Кембрий Возникли высшие растения, у которых тело расчленено на корень и стебель. Появились первые сосудистые растения, имеющие проводящую ткань хвощи и плауны. Существовали представители большинства типов животных губки. Произошли членистоногие – трилобиты – по форме тела напоминали современных ракообразных. Ордовик Увеличивается площадь морей, где весьма разнообразны зеленые, бурые и красные водоросли. Идет интенсивный процесс образования рифов кораллами. Появляются хордовые. Уменьшается разнообразие губок и некоторых двухстворчатых моллюсков. Увеличивается площадь суши, большое иссушение климата. 63 Силур Поздний палеозой Девон Поздний палеозой Девон Карбон Пермь Развитие членистоногих – ракоскорпионов. Расцвет в морях головоногих моллюсков. Появляются новые представители безпозвоночных – иглокожие, панцирные рыбы, которые принадлежат к особой ветви позвоночных – безчелюстные. Интенсивное развитие наземных растений. Выходят на сушу животные. Одними из первых перешли на сушу представители типа членистоногих – пауки. В конце периода вновь горообразовательный процесс. Климат более континентальный. Появляются пустынные и полупустынные области. В морях обитали настоящие рыбы. Появились рыбы с костным скелетом. В мелководных водоемах жили двоякодышащие рыбы, у которых наряду с жаберным дыханием возникло и легочное. Возникли кистеперые рыбы, которые обладали парным строением плавников. На суше появляются первые леса из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. Новые группы животных начинают завоевывать сушу. Представители членистоногих, приобретшие воздушное дыхание, дают начало многоножкам и первым насекомым. Потомки рыб выходят на сушу, образуя первый наземный класс позвоночных земноводных и амфибий. В каменноугольном периоде, или карбоне, происходит заметное потепление и увлажнение климата. На низменных материках распространяются заболоченные низины. В жарких, тропического типа болотистых лесах произрастают громадные папоротники, хвощи и плауны. Начинают распространяться голосеменные растения. Образование каменного угля. Расцвета и разнообразия достигли древнейшие земноводные – стегоцефалы. Появляются первые отряды крылатых насекомых – тараканы и стрекозы. К концу карбона начинается небольшое поднятие суши, некоторая сухость климата и похолодание. Появляются первые пресмыкающиеся – полностью наземные представители позвоночных. Развитие засушливого климата и похолодание. Леса смещаются к экватору, постепенно вымирают папоротникообразные. Им на смену приходят голосеменные растения. Исчезновение земноводных, зато значительного разнообразия достигают древнейшие пресмыкающиеся. Усиление засушливости климата. Мезозой называют эрой пресмыкающихся. Сильно сокращаются площади внутриконтинентальных водоемов, развиваются пустынные ландшафты. Вымирает множество сухопутных организмов, земноводных, почти полностью исчезают древовидные папоротники, хвощи и плауны. 64 Мезозой Триас Мезозой Триас Юра Мел Сильное развитие достигают голосеменные растения и животные – пресмыкающиеся (черепахи, крокодилы и гаттереи). Появляются растительноядные и хищные динозавры. В морях развиваются костистые рыбы, но разнообразие хрящевых и кистеперых рыб постепенно сокращается. Все более разнообразными становятся головоногие моллюски. Некоторые пресмыкающиеся осваивают водную среду, богатую пищей (ихтиозавры). Возникают первые представители теплокровных – мелкие примитивные млекопитающие. Некоторое расширение площадей тепловодных морей, где весьма многочисленны головоногие моллюски – аммониты и белемниты. Разнообразные морские пресмыкающиеся, появляются плезиозавры – животные с широким туловищем, длинными ластами и змеевидной шеей. Пресмыкающиеся начали осваивать и воздушную среду. Развиваются насекомоядные летающие ящеры. Возникли птицы – археоптериксы. На суше встречаются гигантские растительноядные динозавры. Некоторые пресмыкающиеся осваивают водную среду, богатую пищей (ихтиозавры). Возникают первые представители теплокровных – мелкие примитивные млекопитающие. Назван в связи с образованием мела в морских отложениях того времени. Возникают и распространяются покрытосеменные растения, вытесняются голосеменные. Появляются новые динозавры. Птицы еще сохранили зубы, но в остальном существенно не отличались от современных птиц. Во второй половине мела возникли сумчатые и плацентарные млекопитающие. Смена господства пресмыкающихся господством млекопитающих. Приобретение живорождения, теплокровности были теми ароморфозами, которые обеспечили прогресс млекопитающих. Широко распространяются насекомые и появляются первые покрытосеменные растения, у которых возник цветок – орган размножения. В конце мела климат изменяется в сторону резкой континентальности и общего похолодания. В морях вымирают аммониты и белемниты, а в след за ними плезиозавры и ихтиозавры. На суше сокращается влаголюбивая растительность, служившая пищей растительноядным динозаврам, что привело к их исчезновению, сохранились лишь крокодилы, черепахи и гаттереи. Широко распространены леса тропического и субтропического типа. В конце периода начинается процесс остепнения суши. Тропические и саванные леса сменяются степями. К началу третичного периода встречаются представители всех современных семейств животных и растений. 65 Кайнозой Третичный период Процесс остепнения суши привел к вымиранию одних древесных и лесных форм и к выходу других на открытое пространство. В конце третичного периода возникают люди. Большая часть времени пришлась на ледниковый период. Вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, большеногие торфяные олени и другие животные. Понижение уровня мирового океана, в результате чего возникли сухопутные мосты. По мере таяния ледников началось вторичное заселение человеком территорий. Около 10 тыс. лет назад в умеренно теплых областях Земли наступила «неолитическая революция». Бурная деятельность человека привела к вымиранию или сокращению ареалов многих видов животных, к расширению площадей пустынь, появлению подвижных лесов. Четвертичный Весь четвертичный период проходил при участии и значительпериод ном влиянии человека, что определило тот видовой состав органического мира, который существует в настоящее время. Множество видов и подвидов сформировалось в течение четвертичного периода. 14.3. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы. Коацерватные капли или коацерваты – сгустки подобно водным растворам желатина. Образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду. Единство происхождения органического мира заключается в следующем: 1. Все организмы, будь то вирусы, бактерии, растения, животные или грибы, имеют удивительно близкий элементарный химический состав. 2. У всех у них особо важную роль в жизненных явлениях играют белки и нуклеиновые кислоты, которые построены всегда по единому принципу и из сходных компонентов. Высокая степень сходства обнаруживается не только в строении биологических молекул, но и в способе их функционирования. Принципы генетического кодирования, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот едины для всего живого. 3. У подавляющего большинства организмов в качестве молекулаккумуляторов энергии используется АТФ, одинаковы также механизмы расщепления сахаров и основной энергетический цикл клетки. Большинство организмов имеют клеточное строение. Эмбриология эволюции. Отечественные и зарубежные ученые обнаружили и глубоко изучили сходства начальных стадий эмбрионального развития животных. Все многоклеточные животные проходят в ходе индивидуального развития стадии бластулы и гаструлы. С особой отчетливостью выступает сходство эмбриональных стадий в пределах отдельных типов или классов. Например, у всех наземных позвоночных, так же и у 66 рыб, обнаруживается закладка жаберных дуг, хотя эти образования не имеют функционального значения у взрослых организмов. Подобное сходство эмбриональных стадий объясняется единством происхождения всех живых организмов. Морфология эволюции. Особую ценность для доказательства единства происхождения органического мира представляют формы, сочетающие в себе признаки нескольких крупных систематических единиц. Существование таких промежуточных форм указывает на то, что в прежние геологические эпохи жили организмы, являющиеся родоначальниками нескольких систематических групп. Наглядным примером этого может служить одноклеточный организм эвглена зеленая. Она одновременно имеет признаки, типичные для растений и для простейших животных. Строение передних конечностей некоторых позвоночных, несмотря на выполнение этими органами совершенно разных функций, в принципиальных чертах строение сходны. Некоторые кости в скелете конечностей могут отсутствовать, другие – срастаться, относительные размеры костей могут меняться, но их гомология совершенно очевидна. Гомологичными называются такие органы, которые развиваются из одинаковых эмбриональных зачатков сходным образом. Некоторые органы или их части не функционируют у взрослых животных и являются для них лишними – это так называемые рудиментарные органы или рудименты. Наличие рудиментов, так же как и гомологичных органов, тоже свидетельство общности происхождения. Палеонтология эволюции Палеонтология указывает на причины эволюционных преобразований. В этом отношении интересна эволюция лошадей. Изменение климата на Земле повлекло за собой изменение конечностей лошади. Параллельно изменению конечностей происходило преобразование всего организма: увеличение размеров тела, изменение формы черепа и усложнение строения зубов, возникновение свойственного травоядным млекопитающим пищеварительного тракта и многое другое. В результате изменения внешних условий под влиянием естественного отбора произошло постепенное превращение мелких пятипалых всеядных животных в крупных травоядных. Богатейший палеонтологический материал – одно из наиболее убедительных доказательств эволюционного процесса, длящегося на нашей планете уже более 3 миллиардов лет. Биогеографические доказательства эволюции. Ярким свидетельством происшедших и происходящих эволюционных изменений является распространение животных и растений по поверхности нашей планеты. Сравнение животного и растительного мира разных зон дает богатейший научный материал для доказательства эволюционного процесса. Фауна и флора Палеоарктической и Неоарктической областей имеют много общего. Это объясняется тем, что в прошлом между названными областями существовал сухопутный мост – Берингов перешеек. Другие области имеют мало общих черт. Таким образом, распределение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка в биографические зоны отражает процесс исторического развития Земли и эволюции живого. Островные фауна и флора. 67 Для понимания эволюционного процесса интерес представляют флора и фауна островов. Состав их флоры и фауны полностью зависит от истории происхождения островов. Огромное количество разнообразных биографических фактов указывает на то, что особенности распределения живых существ на планете тесно связаны с преобразованием земной коры и с эволюционными изменениями видов. 14.4. Классификация эволюционного развития биосферы. Вид, популяция и критерии вида определяются следующим образом: Вид – совокупность географически и экологически сходных популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов; Популяция – относительно изолированная группа особей одного вида; Критерий вида – это совокупность признаков, отличающих данный вид от другого; Морфологический критерий вида – это совокупность внешних признаков организма; Генетический критерий вида – набор хромосом, свойственный конкретному виду; Эколого-географический критерий вида – определяет ареал его обитания. Изменчивость – разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Мутационная изменчивость. Мутационная изменчивость играет роль главного поставщика наследственных изменений. Именно она является первичным материалом всех эволюционных преобразований. Одним из распространенных видов мутации, имеющий важное значение в эволюции растений, является полиплоидия. Хромосомные мутации также играют важную эволюционную роль. Прежде всего, необходимо указать на удвоение генов в одной хромосоме. Именно благодаря удвоениям генов в процессе эволюции накапливается генетический материал. Нарастание сложности организации живого в ходе исторического развития в значительной степени опиралось на увеличение количества генетического материала. Генные мутации – наиболее частый тип мутаций. Мутации отдельных генов происходят редко. Большинство мутаций рецессивные, доминантные мутации возникают намного реже. Доминантные и рецессивные мутации ведут себя в популяциях по-разному. Доминантные мутации, даже если они находятся в гетерозиготном состоянии, проявляются в фенотипах особей уже первого поколения и подвергаются действию естественного отбора. Рецессивные же мутации проявляются в фенотипе только в гомозиготном состоянии. Рецессивная мутация, прежде чем она проявится в фенотипе гомозигот, должна накопиться в значительном количестве в популяции. Эту мысль первым высказал выдающийся советский генетик Четвериков. Он писал, что популяция, подобно губке, впитывает рецессивные мутации, оставаясь при этом фенотипически однородной. Существование такого скрытого 68 резерва наследственной изменчивости создает возможность для эволюционных преобразований популяций под воздействием естественного отбора. Комбинативная изменчивость. Комбинативная изменчивость – это следствие перекрестка гомологичных хромосом, их случайного расхождения в мейозе и случайного сочетания гамет при оплодотворении. Комбинативная изменчивость ведет к появлению бесконечно большого разнообразия генотипов и фенотипов. Она служит неиссякаемым источником наследственного разнообразия видов и основой для естественного отбора. Громадное генотипическое и, следовательно, фенотипическое разнообразие в природных популяциях является тем исходным эволюционным материалом, с которым оперирует естественный отбор. 14.5 Виды борьбы за существование и формы естественного отбора. Главная причина борьбы за существование – несоответствие между возможностью видов к беспредельному размножению и ограниченностью ресусов. Для внутривидовой борьбы решающие значения для эволюционных преобразований имеет интенсивность размножения и избирательная гибель особей, плохо приспособленных к меняющимся условиям окружающей среды. Выживают и размножаются всегда более приспособленные. В этом и заключен главный механизм естественного отбора. Основным двигателем эволюционных преобразований является естественный отбор наиболее приспособленных организмов, возникающих вследствие борьбы за существование. Для межвидовой борьбы характерна борьба между особями разного вида. Особой остроты межвидовая борьба достигает в тех случаях, когда противоборствуют виды, которые живут в сходных экологических условиях и используют одинаковые источники питания. В результате межвидовой борьбы происходит либо вытеснение одного из противоборствующих видов, либо приспособление видов к разным условиям в пределах единого ареала или их территориальное разобщение. Межвидовая борьба, таким образом, ведет к экологическому и географическому разобщению видов. Каждая популяция характеризуется некоторым средним значением любого признака. Для количественных признаков средняя величина определяется как среднее арифметическое значение, например, средним числом рождаемых потомков, средней длиной крыла, средней массой тела. Для характеристики популяции по качественным признакам определяется чистота особей с тем или иным признаком, например, частота черных и белых бабочек. Изменение условий существования часто приводит к отбору особей, уклоняющихся от средней величины отбираемого признака. Яркий пример, доказывающий существование движущей формы естественного отбора в природе, так называемый индустриальный механизм. Примеров, доказывающих существование движущей формы отбора, множество, но суть их одна: естественный отбор до тех пор смещает среднее значение признака или меняет частоту встречаемости особей с измененным признаком, пока популяция приспосабливается к новым условиям. Движущая форма естественного отбора приводит к закреплению новой формы реакции организма, которая соответствует изменившимся условиям окружающей среды. Отбор особей с отклонением от ранее установившегося в популяции значения признака называют движущей формой отбора. 69 Стабилизирующая форма отбора направлена в пользу установившегося в популяции среднего значений признака. При стабилизирующем отборе устраняются особи, существенно отклоняющиеся от среднего значения признаков, типичных для популяции этого вида. Наблюдаемое в любой популяции животных или растений большое сходство всех особей – результат действия стабилизирующей формы естественного отбора. В результате действия естественного отбора сохраняются особи с полезными для их процветания признаками. Они обуславливают хорошую, но не абсолютную, приспособленность организмов к тем условиям, в которых живут. Приспособленность к условиям среды может быть весьма совершенной, что повышает шансы организмов на выживание и оставление большего числа потомков. Покровительственная окраска развита у видов, которые живут открыто и могут оказаться доступными для врагов. Такая окраска делает организмы менее заметными на фоне окружающей местности. У некоторых встречается яркий узор (окраска у зебры, тигра, жирафа) – чередование светлых и темных полос и пятен. Эта расчленяющая окраска как бы имитирует чередование пятен света и тени. Маскировка – приспособление, при котором форма тела и окраска животного сливается с окружающими предметами. Например, гусеницы некоторых бабочек по форме тела и окраске напоминают сучки. Мимикрия – подражание менее защищенного организма одного вида более защищенному организму другого вида. Это подражание может проявляться в форме тела, окраске и так далее. Так, некоторые виды неядовитых змей и насекомых похожи на ядовитых. Мимикрия – результат отбора сходных мутаций у различных видов. Она помогает незащищенным животным выжить, способствует сохранению организма в борьбе за существование. Нередко виды обладают яркой, предупреждающе-угрожающей окраской, запоминающейся окраской. Раз, попытавшись отведать несъедобную божью коровку, жалящую осу, птица на всю жизнь запомнит их яркую окраску. Под биологическим прогрессом следует понимать возрастание приспособленности организмов в окружающей среде, ведущее к увеличению численности и более широкому распространению вида. Эволюционные изменения, происходящие в некоторых видах и более крупных таксонах (семействах, отрядах) не всегда могут быть признаны прогрессивными. В таких случаях говорят о биологическом регрессе. Биологический регресс – это снижение уровня приспособленности к условиям обитания, уменьшение численности вида и площади видового ареала. Ароморфоз (морфологический прогресс) – возникновение в ходе эволюции признаков, которые существенно повышают уровень организации живых организмов. Ароморфоз даёт большие преимущества в борьбе за существование, открывает возможности освоения новой, прежде недоступной среды обитания. В эволюции млекопитающих можно выделить несколько крупных ароморфозов: возникновение шерстного покрова, живорождение, вскармливание детенышей молоком, приобретение постоянной температуры тела, прогрессивное развитие легких, кровеносной системы и головного мозга. Формирование ароморфоза – длительный процесс, происходящий на основе наследственной изменчивости и естественного отбора. Морфофизиологический процесс – магистральный путь эволюции органического мира. 70 Идиоадаптация – это приспособление живого мира к окружающей среде, открывающее перед организмами возможность прогрессивного развития без принципиальной перестройки их биологической организации. Общая дегенерация – резкое упрощение организации, связанное с исчезновением целых систем, органов и функций. Очень часто дегенерация наблюдается при переходе видов к паразитическому образу существования. Несмотря на то, что общая дегенерация приводит к значительному упрощению организации, виды, идущие по этому пути, могут увеличивать свою численность и ареал, то есть двигаться по пути биологического прогресса. 15. ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА. 15.1. Этапы эволюции человека представлены таблицей 4. Древнейший человек. Питекантроп Внешний вид Древний человек. Неандерталец Кроманьонец Современный человек. Нomo sapiens Первый прямохоНеандертальцы. Весь комплекс дящий человек – Объем мозга равен основных физипитекантроп. Мас- объему мозга совре- ческих особенсивная, со скошен- менного человека. ностей, которые ным подбородком, Развитие речи. имеются у сочелюсть сильно вывременного честупает вперед. На ловека. Умлбу имеется ственное развинадглазничный ватие достигло лик. высокого уровВысота черепа по ня. сравнению с современным человеком мала. Доля мозга развита сильнее, чем у обезьян. Левое полушарие больше, чем правое. 71 Образ жизни Добывание растительности, развита охота. Жили в пещерах. Селились Разнообразие по берегам рек, под трудовой деянавесами скал. тельности. СшиОхотились на живот- вали шкуры и изных и сдирали с них готавливали из шкуры, разделывали них одежду и житуши, строили жилильё. Осваивают ща. территорию земВозникли элементар- ного шара. Важные социальные от- нейшее событие – ношения. возникновение наскальной живописи. Каменные орудия, О р у д и я обнаружены следы труда костров. Искусственно добывать огонь еще не умели. Умели добывать огонь. Использовали каменные орудия, но они были намного разнообразнее и служили для самых различных целей. Возникает преемственность традиций, культуры, науки, знаний. Кремневые ору- Изготавливают дия становились сложные орудия все более разно- труда и мехаобразными и сонизмы. вершенными. Разнообразие типов орудий (резцы, скребки, сверла, гарпуны). 15.2. Древо развития животного и растительного миров. представлено таблицей 5 Геологическая эпоха КЕМБРИЙ ОРДОВИК Тип простей- Тип проТип многоклеших растений стейших точных оргаорганизмов низмов Бурые Губки проБактерии. Водоросли. стейшие; Кишечнополостные. Бурые Водоросли. Бактерии. Типы пресмыТипы прокающихся и стейших жимоллюсков вотных Круглые черви; Развитие трилобиты; па- иглокожих и укообразные; круглоротых. кольчатые черви; моллюски. Увеличение Развитие ки- числа трилобитов; круглые шечночерви; полостных, паукообразуменьшение ные; количества гукольчатые бок; черви; простейшие. развитие моллюсков; ракообразные. 72 СИЛУР ДЕВОН КАРБОН ПЕРМЬ Бурые водоросли; зеленые водоросли; плавуны. Бурые водоросли; развитие зеленых водорослей и плаунов; хвощи; папоротники грибы. Бурые и красные водоросли; резкое уменьшение зеленых водорослей; развитие плаунов, хвощей и голосеменных; грибы. Бурые, зеленые и красные водоросли; плауны; хвощи; папоротники; уменьшение голосеменных; грибы. Бактерии. Бактерии. Бактерии. Бактерии. Расцвет кишечнополостных; губки; простейшие. Уменьшение кишечнополостных; губки; рост особей простейших. Увеличение простейших и губок; кишечнополостные. Губки; кишечнополостные; простейшие. Круглые черви; кольчатые черви; трилобиты; паукообразные; увеличение числа паукообразных; моллюски. Круглые и кольчатые черви; спад трилобитов; паукообразные; насекомые; моллюски; развитие ракообразных. Уменьшение трилобитов; круглые и кольчатые черви; развитие паукообразных, ракообразных, насекомых и моллюсков. Развитие иглокожих и круглоротых; панцирные рыбы. Иглокожие; спад круглоротых; панцирные рыбы; развитие хрящевых и костных рыб; земноводные. Резкий спад круглоротых; иглокожие; развитие панцирных и хрящевых рыб; костные рыбы; увеличение земноводных; пресмыкающиеся. Постепенное Уменьшение исчезновение иглокожих; трилобитов; круглоротые; круглые и исчезновение кольчатые панцирных черви; паукорыб; образные; развитие преракообразные; смыкающихнасекомые; ся; моллюски. земноводные; костные и хрящевые рыбы. 73 ТРИАС ЮРА МЕЛ ТРЕТИЧНЫЙ Покрытосеменные; голосеменные; хвощи; плауны; зеленые, красные и бурые водоросли; грибы. Развитие покрытосеменных; грибы; голосеменные; папоротники; уменьшение хвощей и плаунов; зеленые, красные и бурые водоросли. Грибы; развитие покрытосеменных; голосеменные; папоротники хвощи; плауны; зеленые, красные и бурые водоросли. Грибы; уменьшение голосеменных; развитие покрытосеменных; папоротники; хвощи; плауны; зеленые, красные и бурые водоросли. Бактерии. Бактерии. Бактерии. Бактерии. Губки; кишечнополостные; простейшие. Круглые и кольчатые черви; паукообразные; ракообразные; насекомые; моллюски. Иглокожие; круглоротые; уменьшение хрящевых и костных рыб; земноводные; пресмыкающиеся. Губки; кишечнополостные; простейшие. Круглые и кольчатые черви; увеличение паукообразных и ракообразных; насекомых и моллюсков. Иглокожие круглоротые; хрящевые и костные рыбы; земноводные; пресмыкающиеся; птицы. Губки; кишечнополостные; простейшие. Круглые и Развитие кольчатые Иглокожих, черви; разви- хрящевых и тие паукооб- костных рыб, разных, рако- птиц и преобразных, смыкающихнасекомых и ся; моллюсков. круглоротые; земноводные; млекопитающие. Развитие Круглые и кишечнополостных и простейших; губки. кольчатые черви; развитие паукообразных и ракообразных, насекомых и моллюсков. Иглокожие; круглоротые; хрящевые и костные рыбы; земноводные; пресмыкающиеся; развитие птиц и пресмыкающихся. 15.3. Факторы влияния на биосферу представлены таблицей 6. 74 АБИОТИЧЕСКИЕ БИОТИЧЕСКИЕ АНТРОПОГЕННЫЕ Температура, свет, влага, Влияние растений на Возникают в результате ветер, воздух, давление. других членов биоценоза. деятельности человека: Механический состав Влияние животных на постройка дамб, посадка почвы, ее проницаедругих членов биоценоза. деревьев, орошение, мость, влага. Содержавырубка лесов. ние в почве или воде Техногенная деятельэлементов питания, газоность. вый состав, соленость воды. Примечание Абиотический фактор – фактор обусловленный неорганической средой. Биотический фактор – фактор обусловленный влиянием живых существ. Описание любого биогеоценоза. Все сообщества растений, животных, микроорганизмов, грибов, которые находятся в теснейшей связи друг с другом, создавая неразрывную систему взаимодействующих организмов и их популяций, биоценоз, который также называют сообществом. Продуценты в лесу – деревья, кустарники, травы, мхи. Консументы – звери, птицы, насекомые. Редуценты – наземные. Продуценты в пруду – плавающие растения, водоросли, сине-зеленые. Консументы – насекомые, земноводные, ракообразные, растительноядные и хищные рыбы. Редуценты – водные формы грибов и растений. Примером экосистемы является листопадный лес. В состав листопадных лесов входят буки, дубы, грабы, липы, клены, осины и другие деревья, чья листва осенью опадает. В лесу выделяется несколько ярусов растений: высокий и низкий древесный, кустарников, трав и мохового напочвенного покрова. Растения верхних ярусов наиболее светолюбивые и лучше приспособлены к колебаниям температуры и влажности, чем растения нижних ярусов. Кустарники, травы и мхи в лесу теневыносливы, летом они существуют в полумраке, который образуется после полного развертывания листвы деревьев. На поверхности почвы лежит подстилка, состоящая из полуразложившихся остатков, опавшей листвы, веточек деревьев и кустарников, мертвых трав. 75 Схема классификации биологических систем в мире живых организмов и растений: Империя Надцарства доклеточные клеточные эукариоты Царство дробянок Царство растений Вирусы Багрянки Бактерии Водоросли Сине-зелёные Растения прокариоты Царство грибов Царство животных Низшие грибы Простейшие Высшие грибы Многоклеточные Фауна листопадных лесов богата. Много норных грызунов, землероющих насекомоядных, хищников. Встречаются млекопитающие, живущие на деревьях. Птицы гнездятся в различных ярусах леса: на земле, в кустарниках, на стволах или в дуплах и на вершинах деревьев. Много насекомых, которые питаются листьями и древесиной. В подстилки и верхних горизонтах почвы обитает громадное количество беспозвоночных животных, грибов и бактерий. 15.4. Круговорот химических элементов в биосфере. Круговорот углерода в природе заключается в следующем. Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются микроорганизмамиредуцентами. Конечный продукт минерализации – углекислый газ – выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений. В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в виде карбоната кальция. Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате химических преобразо76 ваний этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик. В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Следует учитывать, что древесина и торф – восполнимые ресурсы, то есть воспроизводящиеся за короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь – ресурсы невосполнимые. Ограниченность и невосполнимость органического топлива ставят перед человеком сложную задачу овладения новыми источниками энергии – тепловой энергией земляных недр, энергией ветра и океанических приливов и, разумеется, энергией Солнца. 16.КОНЦЕПЦИИ ПОВЕДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА и животных. 16.1 Взаимосвязь морали и этики в сообществах высших животных. Дисциплина «Концепции современного естествознания» рассматривает самые разнообразные задачи и проблемы. К их числу можно отнести и вопросы из области психологии. Среди них можно отметить вопросы о возникновении ощущений и сознания, о возникновении речи и мышления, о свободе воли, о взаимоотношении человека с моралью. А может ответы на вопросы дает воспитание? Биоэтика занимается обоснованием человеческой морали. У человека много признаков обусловлено генотипом, но есть и то, что дает среда и воспитание. Суть его (человека) эволюции это процесс передачи генов от поколения к поколению. Все действия человека проявляются в его поведении. В сообществах высших животных так же есть мораль (например, у собаки). Ей легко привить понятливость и послушание (изначально это у нее отсутствовало). Есть у нее и своя мораль. Так, собакам доверяют детей. Собака (и человек с моральными устоями) не обидит самку или детеныша, будет рисковать за товарища, она презирает трусость и обман. Собаки сопереживают с хозяином. У них есть естественным способом врожденные запреты. В некоторых ситуациях природа ввела механизмы торможения. Все эти запреты возникают ради сохранения вида. Перечислим некоторые из запретов. Один из них «не убей своего». Для его выполнения надо учиться узнавать своих. Например, галки и обезьяны узнают друг друга персонально, крысы – по запаху, как и пчелы. У малышей есть «свои» и «чужие». Чтобы не убить своего и не быть им убитым, нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и попытки избежать конфликта. У человека тоже есть ритуал узнавания «своих» и «чужих». У вооруженных природой животных (тигры, например) есть запреты применять свое смертельное оружие в драке со своим. Волк волка до смерти не загрызет. Чем более кровожадно животное, тем четче выполняются запреты. Если у животного механизм этот поломан, то для остальных его поведение «аморально». У крыс детеныши – самые защищаемые. Человеку удалось их сообщества взорвать изнутри. Для этого воспитывают крысиного короля так, чтобы он вкусил запах и вкус крови других крыс. В итоге он съедает всех и остается одна крыса – «крысиный король». Есть у хищников правило – не бить того, кто показал им позу покорности. Например, проигравший лев вдруг подставляет противнику бок. У человека этого нет!? Это потому, что у него нет натуры хищника. Есть у животных неписаные 77 правила: прав тот, кто защищает свою нору, своих детенышей. В этой ситуации почти всегда выигрывает защищающий свою территорию. В отношении человека некоторые считают, что, так как он всю эту эволюцию прошел, то ему все это тоже присуще. Другие полагают, что человек далеко ушел от животного мира, а отсюда вытекает, что все животное ему мало присуще (по Марксу), но есть у человека специфические черты поведения. Видимо, надо учитывать оба подхода к данной проблеме. Есть, безусловно, у человека и животных много общего. Например, есть у чайки и серого гуся «типично» человеческие качества и черты – влюбленность, дружба, ревность, скорбь и так далее. Но у людей социальное поведение диктуется не только разумом, культурой, но и по-прежнему подчиняется еще и тем закономерностям, которые не присущи животным. У высших сообществ животных выявлена и устойчиво развита иерархия: групповая организация крыс и одновременно индивидуальный эгоизм, а также альтруистские (самопожертвованность) формы поведения. И у крыс и у человекообразных обезьян есть бесспорные лидеры (за счет силы, свирепости, быстроты реакции). Это, так называемый, альфа-страт (страт – группа). Есть и бетта-страт. Они уступают первым, у них развита «мыслительная способность». Ниже по ступеням иерархии располагаются молодые и менее опытные, не имеющих отличий самцов – «подвластные», но «полноправные». Это гаммастрат. Замыкают иерархию «неполноправные» члены группы. Это «изгои» – омегастрат. Для них не допускается возможность иметь потомство. Это ранговая иерархия. За все это им приходится биться. Биологи, например, спаивали бетта-стратов и те даже иногда побеждали вожаков и становились ими, но потом обычно спивались и переходили в «изгои». Чтобы система сохранялась, нужны нормы поведения в ней животных. Вот поэтому и возникает иерархия. 16.2 Биоэтика. Моральные ценности и поведение человека. У человека помимо разумных действий есть и врожденные (от животных). По Маслоу (США) иерархия потребностей человека такова. Во-первых, это физиологические потребности. Во-вторых, – потребность в надежности. Далее социальные потребности. Затем потребность в сознании собственного достоинства. И, наконец, потребность реализовать самого себя. Действие человека основано на следующих принципах: 1. Иерархический; 2. Чем выше уровень мотива, тем менее жизненно необходим он ему; 3. Пока не удовлетворены низшие потребности, высшие малоинтересны; 4. С повышением потребностей повышается готовность человека к большей активности. Человек может жить и хлебом единым, когда хлеба, например, не хватает. Высшим ступеням личностного саморазвития присущи такие особенности: 1. Принятие реальности и комфортное отношение к ней; 2. Принятие и себя и других; 3. Профессиональная увлеченность; 4. Автономность от социальной среды («независимость») в поступках и суждениях; 5. Способность понимать других людей, доброжелательность к людям; 78 6. Постоянная новизна, открытость опыту; 7. Различение цели и средств, зла и добра; 8. Естественность поведения; 9. Юмор; 10. Саморазвитие, самоактуализирующее творчество; 11. Готовность решать новые проблемы. Только человек, знающий для чего живет, может быть настойчивым, последовательным, уверенным, справедливым. Смысл жизни в полнейшем развитии всех талантов и способностей. Но не все виды деятельности помогают раскрыть возможности человека. Все больше людей стремится на творческую работу, даже в ущерб материальной стороне. Однако полностью реализовать себя человеку невозможно, так как его потенциальные возможности безграничны. В этом легко убедиться, если хотя бы бегло просмотреть наивысшие достижения людей в самых различных областях знаний и достижений. Но человек смертен. Поэтому возникает вопрос о том, какую цель считать высшей? Ведь рано или поздно человечество погибнет, так как Вселенная снова (по некоторым моделям) сожмется в сингулярность и снова обратится в «ничто», из чего она и возникла? Смерть и рождение – полюсы человеческой жизни, ее пределы. Тем не менее, человек никогда не мирится с предстоящей смертью. Главный жизненный принцип «Думай о смерти» сформулировали древнеримские философы-стоики. Восточная же культура настроена на созерцании земной красоты. Плутарх отмечал, что люди верующие в бессмертие недооценивают земную жизнь с ее прелестями. Бессмертие делает жизнь (отчасти) бессмысленной, а смерть – трагической (по Плутарху). Смерть и память наполняют людей возвышенными чувствами и делают жизнь бесценной (ценной в наивысшей степени). Биологически смерть необходима: мертвые клетки на поверхности кожи постепенно как панцирь уходят и на их место переходят другие. До выхода клетки на поверхность кожи она готовится к образованию панциря (клетка сама себе вырабатывает яд – фиброзный кератин). Каждый день мы сбрасываем с себя с полмиллиона мертвых клеток. Но столько же и образуется новых клеток у взрослого организма. Возможно, что, используя достижения науки, базирующиеся на информационных программах, со временем удастся возвращать к жизни всех умерших, но в новой, более современной, форме (по Манееву) на небелковой основе. Эта проблема давно поставлена наукой и реализуется. Биоэтика – это философски глубокая дисциплина. Ее центральным вопросом как раз является отношение к жизни и смерти. Жизнь понимается как самоценность, как высшая ценность. Возникла биоэтика на Западе в 70-е годы. Ее появление стимулировано медициной и генетикой и осознанием обществом возможных негативных последствий генной инженерии и клонирования людей. Биоэтика – это форма защиты прав человека на жизнь, на ответственное самоопределение своей жизни. В эту дисциплину входит рассмотрение норм отношения к животным, экологическая этика, этика отношений со всей биосферой. К числу ее постулатов можно отнести: постулат о единстве науки и гуманистических ценностей; о приоритете гуманистических ценностей перед научными; о регулировании, исходя из гуманистических ценностей, научных исследований, запрещающих неко79 торые виды экспериментов над человеком; о разработке правил и норм по медицинским работам с учетом прав личности. Биоэтика – это конкретное проявление гуманизма в медицине. Сейчас уточняется сам принцип гуманизации (пересадка чужих органов, например, человеку), или гуманно ли прекращать лечение мучающегося человека «для его блага». Интересны так же и такие термины как «право на смерть». Пока здесь нет достаточной ясности. 17 ОБ ЭМОЦИОНАЛЬНОМ И ТВОРЧЕСКОМ РАЗВИТИИ ЧЕЛОВЕКА. 17.1 Виды состояний и эмоций. Остановимся подробнее на эмоциональном и творческом развитии человека, после того, как мы рассмотрели мотивы поведения высших животных и человека. Эти вопросы чрезвычайно важны, поскольку здесь уже речь идет об эволюции, а точнее о влиянии на нее саморазвивающейся, но уже живой материи на этапе ее высшего уровня развития. Надо заметить, что тезис «человек – венец природы» не бесспорен, ибо нельзя в принципе отрицать существование во Вселенной разумных миров, стоящих на ступени развития неизмеримо более высокой, чем мы. Более того, нельзя исключать из рассмотрения и цивилизации абсолютно недоступные нам и, в принципе, не познаваемые для нашего уровня развития. Мы по отношению к ним то же, что муравьи для нас. Эту сверхразумную относительно нас цивилизацию условно можно называть цивилизацией богов. А может аналогично есть и цивилизация сверхбогов и есть ли вообще предел для числа ступеней познания? Рассмотрим вопрос о психологическом состоянии человека, от которого во многом зависит творческая индивидуальность личности. Особым классом субъективных и психологических состояний, отражающих в форме переживаний процесс деятельности по удовлетворению потребностей человека, являются эмоции. По Дарвину они возникли в процессе эволюции как средство установления значимости тех или иных обстоятельств. Они играют мобилизационную и интегрально-защитную роль, по мнению советского физиолога Анохина. Благодаря эмоциям организм может приспосабливаться к меняющимся условиям. Эмоциональные ощущения закрепляются для поддержания жизненного процесса. Чем выше живое существо стоит на лестнице эволюционного развития, тем богаче гамма всевозможных эмоциональных состояний. Чем выше потребность по нравственной значимости, тем возвышеннее связанные с ней чувства. Среди эмоций самая старая форма переживаний – удовольствие от удовлетворения органических потребностей. Вообще же эмоциональные состояния человека делятся на эмоции, чувства и аффекты. Из них первые два предвосхищают процесс удовлетворения потребностей и выражают смысл ситуации для человека, актуальной для него. Эмоции могут вызываться реальными и воображаемыми ситуациями. Чувства – высший продукт культурно-эмоционального развития человека. Они связаны и с историей и с социальными событиями. Чувства играют в жизни мотивирующую роль. Сильное и устойчивое чувство называют страстью. Устойчивые чувства слабой силы это настроения. 80 Аффекты же это особо выраженные эмоциональные состояния, связанные с изменением поведения человека. Обычно, чем сильнее стимул и чем больше понадобилось усилий для его реализации при меньшем итоге, тем сильнее аффект, который может быть бурным и быстрым. Аффекты мешают нормальной организации человека, его разумности. Они оставляют след в памяти. Стресс – один из видов аффекта – сильного длительного напряжения. Эти напряжения сильно влияют на здоровье человека (на сердце, желудок, печень и так далее). Есть еще страсть – еще один вид эмоциональных состояний – слив эмоций, мотивов, чувств, сконцентрированных вокруг определенного вида деятельности. Каждый из видов эмоций имеет подвиды, а те различаются друг от друга по разным параметрам. Каждый вид состояний имеет противоположные устремления: возбуждение-успокоение, удовольствие-неудовольствие, напряжение-разрядка. Известно три сферы эмоциональных проявлений личности: ее органическая жизнь, ее материального порядка интересы и духовные, нравственные потребности. 17.2 Теории эмоций. Джеймс и Ланге предложили органическую природу происхождения эмоций. Согласно этой теории первопричиной эмоций являются изменения в организме физиологического характера. При этом Джеймс считал, что телесные изменения сразу следуют за восприятием возбуждающих факторов – стимулов, а эмоции определяют уже прошедшие органические перемены. Ланге же полагал, что стимулы возникают сразу в кровеносных сосудах и последние реагируют на внешние воздействия, а эмоции проявляются затем как отражение произвольных изменений. Эта теория имеет возражения: эмоции усиливаются при задержке их проявления (например, удержание от смеха), а рыдания, наоборот, приносят облегчение. Противник теории Джеймса-Ланге Кеннон заметил, что телесные реакции очень похожи друг на друга, что не может качественно объяснить многообразие эмоций у человека. Кроме того, кровеносные сосуды малочувствительны, а эмоции появляются почти мгновенно при возникновении ситуации. Наиболее сильное возражение Кеннона Джеймсу и Ланге заключается в том, что искусственно вызываемые у человека органические изменения далеко не всегда приводят к переживаниям. Итак, по Кеннону, эмоции (и соответствующие им органические изменения) порождаются одновременно и возникают из единого источника – эмоционального – таламуса, регулирующего органические процессы и импульсы, передаваемые с рецепторов в кору мозга и обратно. Эмоциональные переживания – это одновременное возбуждение симпатической нервной системы и коры головного мозга. Бард пошел дальше, считая, что телесные изменения и связанные с ними эмоции возникают почти одновременно и что с эмоциями сильнее связан гипоталамус и центральная часть лимбической системы. Идея об эмоции как об ответе организма на ситуацию есть и у Дарвина. Эмоция есть лишь в том случае, когда осуществление инстинктивных действий наталкивается на препятствие. Есть и конкретная теория эмоций Клапареда (1928) – «если человек может убежать, он не испытывает эмоции страха». Существует и теория 81 когнитивного диссонанса Фестингера – положительные эмоции возникают, когда ожидания подтверждаются. В противном случае возникает диссонанс, или дискомфорт. Выходов из него два: либо переделать план, либо реализовать его. Есть концепция эмоций Шехтера (когнитивно-физиологическая) – на эмоции оказывает воздействие прежний опыт человека. Советский физиолог Симонов считает, что на возникновение эмоций влияет много взаимосвязанных факторов, в том числе и информация от близких. По Симонову эмоция имеет физиологический механизм, компенсирующий дефицит информации, необходимой для достижения цели. Эмоции – это гнев, страх, радость, особенно чрезмерная. Эмоциональные вспышки возникают из-за чрезмерного усиления возбуждения или из-за предшествующей блокады состояния разгрузки. С нарастанием трудности задачи интенсивность наказания должна приближаться к пороговой величине. Эмоции часто возникают из-за того, что субъект не может или не умеет дать адекватный ответ на ситуацию. Существуют кратковременные и хронические источники эмоций. Эмоции различают по фазам (Косицкий). Всего этих фаз четыре. Первая – мотивация физиологических функций в разумных пределах. Когда здравого смысла уже нет, наступает 2-я фаза эмоционального напряжения. Третья фаза – угнетение физиологических функций (человек впадает в шок). Четвертая фаза – невроз. Эмоции вызывают вегетативные реакции – изменение частоты сердечных сокращений, кровяного давления. Кроме того, есть мышечные реакции и импрессивные. Мышечное возбуждение до состояния «окаменения», когда мышцы человека в гипертонусе, соответствует, сильным социальным или моральным защитным действиям. Дети, воспитывающиеся в строгости, сильнее скованы в действиях. Поэтому, по Шульцу, надо уметь расслабляться (это снижает раздражительность). Часто о характере эмоций человека можно судить как по выражению лица, так и по голосу. Эмоции могут и мобилизовать человека, компенсировать недостающую информацию и неудобства. В таких состояниях человек способен на гигантские мышечные усилия, на необычные формы деятельности. Творческий процесс невозможен без эмоций и увлеченности. 17.3 Концепция творчества. Творчество – это рывок в неизвестное с целью создать новое для решения проблемы, появляющейся при недостатке информации, знаний, умений. Этому помогают эмоции, вдохновение. Эмоции – это одна из составляющих творчества. По Кюби одной логики для творчества недостаточно, ибо логика подавляет фантазию и воображение. Эмоции эти трудности снимают. Научное и техническое творчество проявляются в поиске и нахождении нового решения проблемы. Успеху всегда способствует эмоциональная озаренность. Обычно выделяют четыре стадии решения проблемы: подготовка, созревание решения, вдохновение, проверка найденного решения. 82 Структура поиска решения такова. Вначале появляется желание решить проблему, затем ее четкая постановка, далее поиск решения на основе одного известного алгоритма, выбор оптимального варианта из множества решений, решение на основе комбинаций отдельных звеньев из различных алгоритмов. Наконец, поиск принципиально нового решения (с углублением логики рассуждений, аналогий, эвристических приемов, эмпирического метода проб и ошибок). Иногда решение долго не получается, наступает отчаяние и переключение на другую деятельность, возникает, наконец, когда-то и «озарение» – мгновенное осознание алгоритма проблемы. «Озарению» способствует увлеченность, вера в успех, высокая информированность в проблеме и опыт, ассоциативная деятельность мозга во сне. Далее необходимо логическое обоснование найденной идеи решения и реализация решения с его коррекцией. Деятельность мозга реализуется как на уровне сознания, так и на уровне бессознательных процессов. Решение задач требует использования вначале первичных способов решения. Далее, когда их уже мало для решения, осмысливаются неудачи, появляется критическое отношение к ним, вырабатывается программа «поисковой доминанты», приходит интуитивное решение (в принципе) и, наконец, логическое обоснование решения. Иногда для усиления творческих возможностей вводят человека в гипнотическое состояние, внушая человеку, что он якобы Эйнштейн, или Ньютон. Активизируют мысленный процесс и «мозговым штурмом» (Осборн, США) группой лиц. Для этого 7-10 человек различных профессий вводят в курс дела. Среди них обязательно несколько лиц должны быть специалистами по рассматриваемой проблеме. Установка – хвалить «чужую идею» или предлагать свою. Участник должен быть расслаблен и находиться в комфортном состоянии. Кресла ставят по кругу. Высказывания всех фиксируют. Идеи передают затем группе экспертов для отбора наиболее ценных из них. В одной фирме на 300 заседающих было предложено 15 тысяч идей, а из них 10% сразу реализовали. Это синектический метод (Гордон). Есть и метод фокальных объектов: признаки нескольких случайно выбранных объектов переносятся («фокусируются») на рассматриваемый объект. Это дает ценные сочетания, преодолевающие психоинерцию и косность. Существует еще метод морфологического анализа, при котором вначале выделяют главные характеристики объекта – оси, а затем по каждой из них записывают всевозможные выражения – элементы. Используют также и метод контрольных вопросов (наводящих – «а, если сделать наоборот», «если взять другой материал» и так далее.). Все стимуляции поиска решения предусматривают создание ассоциативных образов. Научное творчество опирается на воображение, это психопроцесс создания новых образов, это мыслительный отход за пределы воспринимаемого с оживлением того, что было раньше в предыдущем опыте. Воображение бывает пассивное (сны, грезы) и активное (воссоздающее образы) и творческое (делающее то же, но с отбором материала по замыслу). Есть и мечта – создание желаемого будущего. Этапы творчества следующие. 83 Вначале возникновение идеи, «вынашивание» замысла, его реализация. В творческом процессе интеллект и творческие способности тесно связаны. Начиная с определенного уровня, пути интеллекта и творчества расходятся. Интеллект оценивают тестами (Стенфорд-Бине) по шкале Векслера, например. При этом учитывают пластичность, подвижность, оригинальность, креативность (продуцирование идеи и так далее), перевод знаний в новую форму, используют пересечение двух идей, проверяют самовыражение личности, способность думать с учетом и без учета прошлой практики. Творческие способности высвобождаются. Творческим процессом можно управлять (Фергюссон). Способность решать творческие задачи можно развивать обучением. Часто используют метод перебора вариантов. Альтшуллер (советский психолог) является автором теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Материалом берут патентный фонд с его задачамиответами. В основе метода анализ задачи и формирование новой идеи (может вначале даже невероятной). ТРИЗ устраняет метод перебора вариантов. Мир творчества становится управляемым. Альтшуллер также предложил алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ). В его основе программа последовательных операций по анализу неопределенной изобретательской задачи и ее преобразование в четкую схему. Анализ выявляет и противоречия. Параллельно идет исследование и имеющихся ресурсов, базирующихся на исходной идее. Идея развивается, из нее извлекается максимальная польза. Есть и ряд других достоинств этой программы. АРИЗ Альтшуллера позволяет двигаться в наиболее перспективном направлении в процессе творчества. Проблема оптимизации творческого процесса, конечно же, очень важна и до конца не решена. 18.ПРИНЦИПЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭВОЛЮЦИОНИЗМА. 18.1 Два полюса эволюции. К.А. Тимирязев был солидарен с Л. Больцманом, который в 1886 году говорил: «Всеобщая борьба за существование, охватившая весь органический мир, не есть борьба за вещество: химические элементы органического вещества находятся в избытке в воздухе, воде и земле; это также не борьба за энергию, – она, к сожалению, в непревратимой форме теплоты щедро рассеяна во всех телах; это борьба за энтропию, становящуюся доступной при переходе энергии от пылающего Солнца к холодной Земле». Можно сказать, что жизнь – это борьба и за организацию. Организация высших животных и человека связана с формированием у них условных рефлексов. Последнее, по И.П. Павлову (1935) происходит по принципу динамического уравновешивания организма со средой. Сюда входит принцип невризма (всеми реакциями внутри организма управляет нервная система) и свойство противопоставлять свою внутреннюю сферу внешней среде, и способность нервной системы изменять черты поведения при приспособлении к изменяющейся среде. Чтобы условный рефлекс возник, нужно чтобы старая система реакций разрушилась. Условный рефлекс – микрочастица поведения. Из нее слагается взаимоотношение организма со средой. При этом все решает нервная система. Наблюдая про84 цессы обмена организма со средой в основном на клеточном уровне, Бауэр (1935) пришел к выводу, на первый взгляд, противоречащему тому, что говорил И.П. Павлов! По Бауэру все живые системы никогда не бывают в равновесии со средой и выполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии. Бауэр подчеркивал, что равновесие в организме постоянно нарушается на уровне вещества и энергии, а Павлов имел ввиду поведение живого организма в среде. Бауэр исследовал изменение состояния в клетках организма на уровне энергии и вещества, а Павлов – на более тонкой составляющей материи – организации. Эти два принципа лишь дополняют друг друга, но не противоречат один другому, что и составляет два полюса эволюции. Павлов предложил метод расчета силы условного рефлекса (как степени приспособления организма к среде). Однако количественно он был реализован после возникновения кибернетики, позволяющей оценивать меру сложности системы (по Эшби и Ферстеру). Одна из таких мер – логарифм числа состояний, характеризующих максимальную неопределенность состояния системы. Мы уже говорили, что абсолютная организация системы U H max H , где Н - реальная неопределенность U H R 1 состояния системы. Отсюда . H max H max Это мера относительной организации системы по Ферстеру (1960), хотя в 1947 г. Шеннон предложил ее определение, но в более узком смысле для оценки избыточности канала связи. Итак, Rmax = 1 для максимально организованной системы, а для полностью дезорганизированной системы R = 0. Эта величина (R) очень удобна для полной характеристики поведения любой (и биологической тоже) системы. Градацию систем по сложности предложил С. Бир: простые системы имеют до 1000 (микро)состояний, а сложные от тысячи до миллионов состояний, очень сложные – свыше миллиона состояний. По величине R можно сказать, что жесткие и недетерминированные системы имеют R от 1 до 0,3, а при R от 0,3 до 0,1 – системы вероятностно-детерминированные. При 0 < R < 0,1 вероятностные системы. С таким же успехом по величине R можно оценивать сложность организма и биосистемы, и организацию среды их обитания. Эшби считал, что по числу состояний биосистема должна соответствовать среде. Он говорил о необходимости разнообразия в системе, характеризующего ее сложность. Второй показатель системы – организация. Используя такие параметры системы как сложность и организация, можно изложить принципы уравновешивания организма со средой. Он звучит так: биосистема должна быть адекватной среде по сложности и уровню организации. Это значит, что если среда изменяется, то и биосистема должна все время к ней приспосабливаться, изменять свою сложность и организацию смены своих состояний и тем самым выходить на некоторый уровень адекватности со средой. В этом ключ к разгадке изменчивости биосистем и их эволюции. Примером является жизнь любого человека с процессами воспитания, обучения, труда, взаимодействия с людьми и техникой. В процессе эволюции все изменяется: организм и среда. Подходы Павлова и Бауэра это два полюса описания эволюции биосистем, дополняющие друг друга. 85 18.2 Эволюция материи на биологическом уровне. Иерархия биосистем. Хотя и достаточно условно, но можно разделить эволюцию материи на этапы. Начинают с уровня макромолекул (более ранний этап нет смысла рассматривать для биосистем). После возникновения атомов трудно определить где объект, а где среда? Миллионы лет жизнь накапливала силы перед новым скачком. Наконец, возникают условия, при которых возможно образование молекул аминокислот и оснований. Когда уже была Земля с океанами, со сменой времен года, днем и ночью, с теплом и стужей, то на ней из каждого цикла геологических эпох материя планеты выходила под действием Солнца эволюционно уже на другой уровень во всех отношениях. В океане возникают сложные молекулы, появляются аминокислоты и органические основания. В этой среде взаимодействие атомов между собой уже иное. Появляются боковые пептидные связи молекул и их цепочки, к ним присоединяются комплиментарные основания – зачатки редупликации. Образуются молекулы белков, РНК и ДНК. При усложнении систем усложняется и среда. Макромолекул много, они «вступают» в борьбу за энергию АТФ и аминокислоту: кто ближе при этом, тот и захватывает вещество. Есть уже короткие и длинные цепочки молекул, происходит их отбор (по Дж. Берналу). «Выживают» молекулы наиболее адекватные среде и среда тоже им соответствует. Иногда происходит скручивание молекул в спираль, иногда они наоборот разворачиваются группой, чтобы совместно удержать плывущие мимо основания. Достижению адекватности макромолекулы среде отвечают и мутации. Мутации – нарушения в конструкции молекулы, возникающие в силу сходности составляющих её соединений. Это механизм, служащий удовлетворению принципа адекватности. С появлением клетки можно четко говорить, что всё кроме неё – это среда ее обитания. Клеточный уровень организации материи показал силу мембраны и необходимости структурирования системы. Возникает обмен веществом, энергией и генной информацией. Клетка живет уже сама. Когда же клеток стало много, им стало трудно «жить» в смысле обеспечения энергией и веществом. Возникает новый механизм – рекомбинация (воспроизведение) молекул. Отбор в мире клеток привел к образованию механизма противодействия среде (за счет вирусов и бактериофагов – разрушителей клеток, бактерий, меняющих структуру белков). В результате остались простейшие организмы, ушедшие с арены борьбы, в адекватном себе окружении. Второй механизм – объединение клеток в колонии, а колоний в организм с новой мембраной из спецклеток, контактирующих со средой. Усложнение колоний клеток до организма это грандиозный скачок в эволюционном возникновении мира животных и человека. У организма, как целого, появились анализаторные системы: зрительная, слуховая и так далее. Двигательный анализатор это мускулатура, когти, ногти, руки, зубы и прочее. Из гигантского числа видов организмов выделились те, которые активно взаимодействовали со средой. Внутри видов стало необходимым разнообразие, так появился мужской и женский пол. Такое (половое) разделение обеспечивает оплодотворение в яйце за счет рекомбинации хромосом. Это дает новое сочетание генов. 86 Вырастает организм, отличный от родителей, что порождает изменчивость, поскольку происходит перемешивание генов и выборка новых. Организм с плохой наследственностью ликвидируется самой природой. Выживают лучшие. Удачный выбор партнера дает удачное потомство. Но на уровне клетки вероятность удачной рекомбинации ДНК может достигать 50%. Возникают новые варианты «мембран» – обособления в стада, но это уже после того, как появились живые организмы – индивидуумы. Появляется социальная черта поведения. Коллективные «идеи» воспитывают потомство. Эти элементы организации имеют новую сложность. Они необходимы для достижения адекватности со средой. И в природе, и в биосфере, в частности, действует великий закон адекватности организма и среды. В биосфере адекватность устанавливается на уровне сложности и организации. Вещество и энергия биосистемы расходуются в процессе приспособления к среде для изменения взаимодействия между ними. Гибкая перестройка биосистемы возможна лишь на основе закона эквивалентности между веществом, энергией и организацией (информацией). При усложнении биосистемы материя использует все свойства ионов и молекул, их групп, пептидных связей, пленок из них и так далее. Увеличению разнообразия реакций способствуют мутации и кроссенговер (получение нового кода ДНК внутри одной клетки за счет разъединения молекул ДНК). Мутация какого-либо гена в ДНК через кодирование может изменить белок, может произойти утрата или перестройка части информации. Мутации вызываются ошибками копирования генетического материала, воздействия вредных веществ или излучений. Оказалось, что не все нуклеотиды равноценны, то есть система как-то подстраивается, обеспечивая свою устойчивость. Хотя обычно мутации редки, но они чрезвычайно важны для эволюции (первый этап её – изменчивость) как первоначальный источник формирования генетической изменчивости. Для синтеза белка необходимы транспортные тДНК, матричная ДНК, аминокислоты, рибосомы и различные ферменты (инсулин). Рибосомы построены из белка и рибосомной РНК, к каждой из них поставляет аминокислоту свой вид тРНК, а присоединение осуществляется с помощью фермента. Белки – это основа жизни и через мутации в них закрепляется наследственность. У белков множество функций: они катализаторы (управляющие всеми химическими процессами в организмах от бактерии до человека), они переносят кислород и запасают его, они служат основой движения как внутри организма, так и организма как целого, они являются опорными веществами для тканей и защищают организм от болезней (бактериофаги). Ф. Энгельс писал по этому поводу: «Жизнь – это способ существования белковых тел существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Информация, накопленная в организме посредством ДНК точно передаётся на уровне клеток всего организма и, следовательно, обеспечивает наследственность данного вида организмов. Это вторая стадия великого закона биосферы – эволюции. И последнее звено эволюции – отбор понимается так. На уровне клетки происходит рекомбинация хромосом, на уровне организации – двуполая любовь. Решает все механизм отбора. Система, обладая запасом разнообразия, может в данной среде и не использовать все свои возможности (реак87 ции). Она более выживаемая при возрастающей сложности среды. Такая биосистема для других является средой, то есть она может победить другие системы. Биосистемы, перегнавшие в своем развитии другие по сложности, задают тон в эволюции. Они – движущая сила эволюции. Механизм отбора здесь «карает» отстающих. Таковы вкратце этапы эволюции материи. Рассмотрим уровни иерархии эволюции материи от элементарных частиц до биосистем с помощью таблицы 7 .Этапы От А Уровень Элементы Протоны, нейтроны, электроны, позитроАтомы (А). ны и другие элементарные частицы. Молекулы (М). Положительные и отрицательные ионы. Функции элементов Носители массы, заряда и взаимодействия. Носители массы, заряда и взаимодействия с образованием структуры. Аминокислоты, органи- Молекулы кислой и Носители зарядов ческие основной групп. полярных групп. соединения до М От М . . .. . . . . . . . . . до К От К Макромолекулы: А-Г, Т-У, А-Г, Ц-У, a) ДНК аминокислоты. b) РНК c) белок Органеллы: Хромосомы ДНК, белок. Рибосомы РНК, белок. Митохондрии АТФ. хлоропласты диктиосомы –––– Белок. вакуоли Мембрана. эндоплазмическая сеть Мембрана, белок. Клетки (К): нервные Органеллы Органеллы мышечные Органеллы костные Органеллы. железистые Органеллы. Носители полярных групп. Образование связей. Функции системы Способность к приему и отдаче электронов. Образование ионов. Образование химических групп: кислот, щелочей, оснований, солей. Способность образовывать пептидные и комплиментарные связи. Редупликация. Генетический код. Матрица кода, транспорт аминокислот. Катализ реакций. Запасание энергии. Хранители кода. Обеспечение функций клетки. Передача наследственСинтез белка. ных признаков. Координация работы Выработка энертрех РНК. гии. Фотосинтез. –––– Синтез белковых Синтез мембраны структур. Сбор и транспорт Выделение отходов. Сбор и транспорт Транспорт веществ. отходов. Деление. Генерация нервного импульса. Изменение размеров. Обеспечение опоры. Синтез органических веществ. Преобразование внешнего сигнала в нерв- 88 .до органов. От органов. рецепторные Органеллы. Органы: мышечные нервные Клетки. Клетки. ный импульс. Насосная функция, фильтрация. Отделы анализаторских систем, частные функции. Системы: внутренняя сфера Органы Поддержание параметров внутренней сферы управления. Анализаторные Отделы анализаторов. Мозг Внутренняя сфера До организма. Организм (О) Анализаторные системы. Системы управления органами. ––– ––– Прием и переработка информации, управление. Управление организмом и мышлением. Обеспечение основ жизнедеятельности. ––– Жизнь в среде и размножение. ––– Таким образом, происходит развитие материи во Вселенной. 18.3 Проблемы формирования и развития ноосферы. Естественнонаучное и философское представление о единстве человека и природы, об их глубочайшей взаимосвязи и взаимозависимости составило суть учения о ноосфере, у истоков которого стоял В.И. Вернадский. В буквальном переводе с греческого ноосфера это сфера (шар) разума, то есть это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. Понятие ноосферы как облекающей земной шар идеальной, «мыслящей» оболочки, формирование которой связано с возникновением и развитием человеческого сознания, ввели в начале XX века Тейяр де-Шарден и Э. Леруа. Под геохимическими, геотектоническими, геобиологическими пульсациями всегда можно узнать один и тот же глубинный процесс тот, который, материализовавшись в первых клетках, продолжается в созидании нервных систем, писал Тейяр де Шарден. Геогенез, сказали мы, переходит в биогенез, который в конечном счете не что иное, как психогенез... Психогенез привел нас к человеку. Теперь психогенез стушевывается, он сменяется и поглощается более высокой функцией вначале зарождением, а затем последующим развитием духа ноогенезом. В.И. Вернадский развил концепцию ноосферы, впервые обосновав, что весь облик Земли, ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы все это порождение жизни. К 1900 году Вернадский подытожил многолетний опыт исследований, и возникла новая научная дисциплина биогеохимия. В книге с таким же названием он развернул широкую программу эволюции биосферы с момента ее возникновения до настоящего времени. По Вернадскому наша планета и космос представляются как единая система, в которой жизнь, живое вещество связывают в единое целое процессы, протекающие на Земле, с процессами космического происхождения.. На протяжении всей истории Земли количество живого вещества в биосфере согласно оценкам гениального ученого было практически постоянным. За счет энергии Солнца возникли так называе89 мые геохимические циклы, или круговорот веществ в природе, в который вовлекались все новые и новые массы первичной материи. Начали возникать толщи осадочных пород, которые преобразовались затем геологическими и геохимическими процессами. Эта грандиозная картина общепланетарного развития включала в себя и появление человека носителя разума, который многократно ускорил все процессы, протекающие на планете. Развитие окружающей среды и развитие общества сделаются неразрывными. Биосфера перейдет в сферу разума ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным направляемым силой разума. Заметим, что сам термин «ноосфера» Вернадскому не принадлежит: его предложил в 1924 году на семинаре Бергсона в Париже французский исследователь Э. Леруа во время обсуждения доклада Вернадского об эволюции биосферы. Впоследствии он широко использовался Тейяр-де-Шарденом. Сам Вернадский стал употреблять термин «ноосфера» только в последние годы своей жизни. Можно отметить, что мировосприятие большинства русских философов и естественников, при всем их различии во взглядах от крайних материалистов до идеологов православия, было направлено на отказ от «сухого» рационализма, согласно которому человек во Вселенной всего лишь наблюдатель. Мол, он существует сам по себе, а Вселенная, подобно хорошо отлаженному механизму, действует сама по себе, по своим собственным законам. Вернадский «угадал» антропный принцип, а вернее предвосхитил его, утверждая, что человек есть часть некой более общей единой системы, в которой он активный исследователь, ее неотъемлемая часть. Таким образом, переход биосферы в ее новое состояние, которое теперь принято называть ноосферой, то есть вступление человечества в новую эру своего развития, в эпоху ноосферы, обеспечение коэволюции человека и биосферы не могут произойти автоматически. Это будет мучительный и нескорый процесс выработки новых принципов поведения и нравственности. Другими словами, это потребует перестройки всего нашего уклада жизни, бытия в целом, смену стандартов, жизненных норм и идеалов? На основе идей Вернадского об эволюционном ряде от первичного «живого вещества» до биосферы родилась органицистская познавательная модель, основывающаяся на системном подходе и идеях самоорганизации. Такой органицистский подход задавал новую исходную систему отсчета для рассмотрения природной реальности. Здесь уже центральное место занимали принцип органической целостности, применительно и ко всей природе, и к ее различным подсистемам. Органицизм, соединенный с эволюционизмом, привел к формулировке единого эволюционного ряда, в начале которого лежит «праорганизм», или первичное живое вещество, а затем следуют организм и вид. Достижения экологии в XX веке позволили расширить этот эволюционный ряд, включив в него биоценоз и биогеоценоз. Рассмотрение этих уровней эволюционного ряда с точки зрения организации жизни позволяет считать организм, вид, биоценоз и биогеоценоз основными формами организации жизни, которые, возникнув, по-видимому, одновременно, проходят определенные и в каждом ряду разные стадии эволюции этапы повышения собственной организации. Выдвинутое В.И. 90 Вернадским понятие ноосферы позволило закончить этот эволюционный ряд от первичного «живого вещества» до биосферы. И в структуре живого организма, и в структуре биосферы вычленяются различные уровни и подсистемы. В организме, выделяются тканевый, клеточный и молекулярный уровни, а в структуре биосферы ряд подсистем со своими функциями и процессами взаимообмена веществом и энергией. Изучение интегративных уровней ноосферы одна из важнейших задач эволюционной теории. Говоря о все возрастающей мощи цивилизации, Вернадский пришел к выводу о том, что человечеству придется взять на себя всю ответственность за развитие будущей ноосферы. В ноосфере изменится все и геохимические циклы биосферы, и ее способность обеспечивать потребности человечества в сочетании с изменением самого общества, а может быть, и природы самого человека. Все это должно сделаться объектом целенаправленной деятельности. Такое взаимодействие человека и биосферы все чаще называют коэволюцией природы и общества. Переход человечества в эпоху ноосферы Вернадский рассматривал как один из актов «приспособления», которое реализуют в силу своих возможностей все живые виды. Но человечество включает в этот процесс присущий ему разум. «С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, писал Вернадский, планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу. Но такой переход будет означать коренную перестройку всей эволюции человечества, а не только его общественных структур. Это не просто создание и использование новых технологий. Человечеству предстоит научиться согласовывать свои потребности с убывающими возможностями планеты. Людям придется привыкнуть к жестким ограничениям, создав, по сути дела, новую нравственность, и духовный мир превратится в определяющий фактор развития человечества как вида». БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная литература. 1. Программа курса «Концепции современного естествознания» для гуманитариев – проблемы становления. Суханов А. Д., Рудой Ю.Г. 2. Теодорадзе Г. А. Концепции современного естествознания. М.: СОВРЕМЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, ЮНИТА,1996.-49с. 3. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.-287с. 4. Концепции современного естествознания. Редактор Самыгин С. И Ростов-на-Дону.Феникс,1997.-448с. 5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск. ЮКЭА, 1997.-832с. 6 Горелов А. А Концепции современного естествознания М: Центр 1997 208 с 7 Грушевицкая Т. Г. Садохин А. П Концепции современного естествознания М: Высшая школа1998-383 с 8 Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания Учебник М: Культура и спорт ЮНИТИ 1998-208 с Дополнительная литература для работы над темами рефератов. 91 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. Кузнецов Б. Г. Этюды об Эйнштейне. М.: Наука, 1965. – 383 с. Луи де Бройль Революция в физике. М.: Атомиздат, 1965. – 232 с. Вальтер Холичер. Природа в научной картине мира., М.: Прогресс, 1966. 568 с. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.: Мол. гвард., 1966. – 272 с. Будущее науки. Международный ежегодник. М.: Знание (издаётся с 1967 г.). Эйнштейн А. Сб. науч. трудов. Т.4, М.: Наука, 1967. – 578 с. Винер Н. Кибернетика. М.: 1968. Марио Льоцци. История физики, М.: Мир, 1970.- 222 с. Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.: Мир, 1972 Карцев В. П. Магниты за три тысячелетия. М.: Атомиздат, 1972. – 160 с. Тейяр де Шарден Феномен человека. М.: 1973. Дж. Б Марион. Физика и физический мир. М.: Мир, 1975. Антомонов Ю.Г. Размышления об эволюции материи. М.: Советская Россия, 1976. 172 с. Васильев М., Климонтович Н., Станюкович К. Сила, что движет мирами. М.: Атомиздат., 1978. – 160 с. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. Вайнберг С. Первые три минуты. М.: Мир, 1981. Файнберг Дж. Из чего сделан мир? М.: Мир, 1982. Тарасов Л. В. Этот удивительный симметричный мир. М.: Просвещение, 1982. – 176 с. Григорьев В., Мякишев Г. Сила в природе. М.: Наука, 1983. – 416 с. Радунская И. Предчувствия и свершения. Кн.2. М.: Детск. лит-ра, 1984. – 387 с. Дж. М. Т. Томпсон. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985. Китанович В. Планета и цивилизация в опасности. М.: Мысль, 1985. – 240 с. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. – 422 с. Барашенков В. С. Кварки, протоны, Вселенная. М.: Знание, 1987. – 192 с. Завельский Ф.С. Время и его измерение. М.: Наука, 1987. – 254 с. Радунская И. Предчувствия и свершения. Кн.3., М.: Детск. лит-ра, 1987. – 382 с. Алексеев Г. Н. «Энергоэнтропика». М.: изд. Знамя, 1988. – 198 с. Пригожин И., Стенгерс И.. Порядок из хаоса. М.:Мир, 1988. – 432 с. Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1988. – 240 с. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М.: 1989. Спасский.Б.И. Физика для философов. М.: МГУ,1989. Савельев И. В. Курс физики, т. 1-3. Учебники. М.: Наука, 1989. Девис П. Суперсила. М.: Мир, 1989. – 384 с. Тарасов Л. В. Современная физика в средней школе. М.: Просвещение, 1990. – 288 с. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир,1990. Моисеев Н. П. Человек и ноосфера, М.: Мол. гвард., 1990. – 288с. Вернадский В. И. Научная мысль как планетное мышление. М.: Наука, 1991 – 471 с. Степин В. С. Философская антропология и философия науки. М.: Высшая школа, 1992. Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М.: Прогресс,1994. Годфруа Жо Что такое психология. Уч. пособие, Т. 1. перев. с франц. М.: Мир, 1996. – 386 с. Годфруа Жо Что такое психология. Уч. пособие, в 2-х томах, Т.2, перев. с франц. М.: Мир, 1996. – 374 с. Тамбаев А. Х. Введение в основы естествознания, ч. 2. Биология М.: Эк. фак-т МГУ, ТЕИС, 1997. – 124 с. Введение в основы естествознания. ч.1, М.: Эконом. фак-т МГУ, ТEИС, 1997. – 157 с. 92 46. Жакин А. И. Тензорный анализ. Механика. Гравитация. Уч. пособие Курск, Тасис, 1998. – 294 с. 47. Родионов А. А. Магнитные свойства вещества. ч. 1.(70 с.), ч. 2. (212 с.). Курск, КГТУ, 1997 и 1998. НЕКОТОРЫЕ ТЕРМИНЫ Абиотический фактор – фактор обусловленный неорганической средой. Автокатализ – химические реакции, в которых синтез вещества требует этого же вещества в качестве катализатора (ускорителя). Адаптация – приспособление организмов к условиям существования. Адекватность – соответствие, совпадение. Адроны – элементарные частицы, подверженные сильному взаимодействию. Аминокислоты – класс органических соединений, являющихся основным материалом построения растительных и животных белков. Анализ – метод исследования на основе мысленного или фактического разделения целого на составляющие его части. Аналогия – сходство в каком-либо отношении между явлениями, предметами. Анаэробные организмы – могут жить при отсутствии свободного кислорода. Античастица – ее электрический заряд противоположен по знаку заряду соответствующей ей частицы (или зарядам, «составляющим» частицу – например антинейтроны). Ароморфоз (морфологический прогресс) – возникновение в ходе эволюции признаков, которые существенно повышают уровень организации живых организмов. Ароморфоз дают большие преимущества в борьбе за существование, открывают возможности освоения новой, прежде недоступной среды обитания. Атом – мельчайшая частица химического элемента в таблице Менделеева. Атомный номер – номер химического элемента в таблице Менделеева. Аттрактор – макроскопическая система, в состоянии отвечающем наибольшей вероятности ее реализации. Белая дыра – результат взрыва «черной дыры», когда вследствие сверхсжатия начинаются ядерные реакции в ее недрах. Биосфера – область распространения жизни на Земле. Биота – совокупность растений и животных на определенной территории. Биотический фактор – фактор, обусловленный влиянием живых существ. Биоценоз – совокупность растений, микроорганизмов и животных, населяющих участок среды с однородными условиями жизни. Биоэтика – философская дисциплина с ее центральным вопросом – отношение к жизни и смерти. Бифуркация – разветвление в точке траектории движения системы в процессе эволюции. Вакуум – низшее энергетическое состояние поля с числом квантов, равным нулю. Вербальный – словесный, устный. Вид – совокупность географически и экологически сходных популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов. Виртуальная частица – элементарная частица в промежуточных (ненаблюдаемых) состояниях. Вирусы – возбудители инфекционных болезней всех живых организмов, размножающиеся только внутри живых клеток. Галактика – Млечный путь, наша звездная система, включающая в себя 200 млрд. Звезд и нашу Солнечную систему. Гомологичные органы развиваются из одинаковых эмбриональных зачатков сходным образом. 93 Ген – материальный носитель наследственной (генетической) информации, способный к воспроизведению и расположенный в хромосоме. Генетический критерий вида – набор хромосом, свойственный конкретному виду. Геном – совокупность генов, содержащихся в наборе хромосом данной клетки. Герменевтика – один из методов гуманитарного познания на основе интерпретации, перевода и понимания разнообразных текстов. Гомеостазис – реакции организма, направленные на сохранение динамического состояния его внутренней среды. Гравитационный коллапс – сжатие массивной звезды полями тяготения после исчерпания в ней ядерной энергии (остывания). Приводит к образованию пульсара и «черной дыры». Гравитон – гипотетическая частица без массы покоя, движущаяся со скоростью света – носитель гравитационного взаимодействия. Детерминизм – учение о причинной обусловленности событий и явлений. Дискретный – прерывистый, состоящий из отдельных частиц. Диссипация – переход энергии упорядоченного движения (например, света) в энергию хаотического движения (теплоту). Дифференциация – этап развития в научном познании, нацеленный на более глубокое изучение отдельных явлений. Доплера эффект – при приближении к нам светящегося объекта частота колебаний, исходящих от него волн возрастает и убывает при удалении. Естественный отбор – механизм отбора в природе, приводящий к уничтожению неприспособленных к условиям среды организмов. Живые вещества – растения, животные и человек. Идиоадаптация – это приспособление живого мира к окружающей среде, открывающие перед организмами возможность прогрессивного развития без принципиальной перестройки их биологической организации. Иерархия – порядок подчинения низших членов, структур высшим (Иерархическая лестница – ступени подчинения). Изменчивость – разнообразие признаков и свойств у особей и групп любой степени родства. Изотропность – одинаковость всех свойств по всем направлениям. Импульс – произведение массы частицы на вектор ее скорости. Инерциальная система – система отсчета, в которой выполняются законы Ньютона. Квазар – квазизвездный источник энергии (прототип новых галактик), представляющий состояние со сверхплотным веществом, излучающий энергию в основном в радиодиапазоне и имеющий большое красное смещение. Квант – неделимая порция какой-либо величины. Кварки – субэлементарные частицы, из которых образовались частицы. Их шесть типов с дробными электрическими зарядами (шестой из них открыт в 1994 году). Кибернетика – наука об общих принципах управления в машинах, живых организмах и обществе. Коацерватные капли или коацерваты – сгустки подобно водным растворам желатина. Образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. Комбинативная изменчивость – это следствие перекрестка гомологичных хромосом, их случайного расхождения в мейозе и случайного сочетания гамет при оплодотворении. Комбинативная изменчивость ведет к появлению бесконечно большого разнообразия генотипов и фенотипов. Концепция – система взглядов на что-либо, основная мысль. Корпускулярно-волновой дуализм – двойственность природы материи: корпускулярная и волновая одновременно. Креационизм – предположение о божественном сотворении мира. Критерий вида – это совокупность признаков, отличающих данный вид от другого. 94 Макропараметры – характеризуют систему как целое (давление газа, температура и его объём). Они выражаются через микропараметры, составляющих её частиц – атомов и молекул. Мегамир – мир больших расстояний (от размеров планет до Вселенной). Иногда вводят понятие о метамире – мире еще больших расстояний. Метаболизм – обмен веществ (ассимиляция и диссимиляция) в организме. Метагалактика – изученная часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками. Мимикрия – подражание менее защищенного организма одного вида более защищенному организму другого вида. Мимикрия – результат отбора сходных мутаций у различных видов. Она помогает незащищенным животным выжить, способствует сохранению организма в борьбе за существование. Микромир – (условно) от мира клетки до элементарной частицы. Морфологический критерий вида – это совокупность внешних признаков организма. Мутация – внезапное изменение наследственных структур естественным или искусственным путем. Нейтронные звезды – возникают при поглощении в атомах ядрами электронов с образованием нейтронов под действием сил гравитации. Нелинейная система – в ней слабое внешнее воздействие приводит к многократному изменению ее параметров. Ноосфера – по Вернадскому сфера разума, ставшая по своему воздействию на планету соизмеримой с геологической силой. Нуклеиновые кислоты – необходимая составная часть всех живых систем, являющаяся носителем их генетической информации. Общая дегенерация – резкое упрощение организации, связанное с исчезновением целых систем, органов и функций. Очень часто дегенерация наблюдается при переходе видов к паразитическому образу существования. Онтогенез – развитие индивида от рождения до смерти. Организация – упорядоченность, достигаемая внешними воздействиями. Органические вещества – без них жизнь невозможна. Парадигма – фундаментальная теория, относящаяся к широкому кругу явлений или отраслям знаний. Пи-мезон – элементарная частица-носитель сильного взаимодействия в адронах. Популяция – группа организмов одного вида с четко ограниченной географической областью обитания. Порядок – понятие из теории систем – определенное расположение элементов или их последовательность во времени. Пульсар – космический объект, периодически меняющий интенсивность излучения. Редукционизм – сведение сложного к простому, составного – к элементарному. Рекомбинация – восстановление, например, атомов после их ионизации. Реликтовое излучение – космическое излучение, сохранившееся с самых ранних стадий эволюции Вселенной. Самоорганизация – процесс взаимодействия открытой системы с ее окружением, в результате которого в ней возникает новый порядок или структура при наличии диссипации энергии. Саморегуляция поддержание определенной численности популяций, основанной на взаимодействии организмов в звеньях хищников – жертва, паразит – хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Сингулярность – особенность (если сингулярная функция – с особой точкой (разрыва)). Симметрия – правильность формы или неизменность законов. Синтез – получение сложных соединений из простых. В познании – метод исследования предметов, явлений как единого целого. Солнечная постоянная = 1,388·106 эрг/см2·мин – поток солнечной энергии на площадку 1см2 за минуту, помещенную перпендикулярно лучам за пределами атмосферы Земли на среднее расстояние от Солнца до Земли. 95 Социология – наука о развитии общества. Стоицизм – учение в Древней Греции или Риме, колеблющееся между материализмом и идеализмом. Твердость и стойкость в жизненных ситуациях. Субмикромир – мир субэлементарных частиц, из которых образуются элементарные частицы. Телеология – воззрение, что всякое развитие в мире служит осуществлением заранее предопределенных связей. Тензор – совокупность величин в теории Эйнштейна, определяющих метрические свойства пространства-времени и его геометрические свойства. Устойчивость – это свойство сообщества и экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Способность организмов переносить неблагоприятные условия и высокий потенциал размножения, обеспечивающие сохранение популяций в экосистеме, что гарантирует её устойчивость. Утилизация – употребление (переработка продуктов) с пользой. Фенотип – внешний вид живого существа. Ферменты – специфические вещества-катализаторы в реакциях, протекающих в живых системах. Флуктуации – случайные отклонения параметров системы от некоторого среднего их значения под действием тепловых движений атомов и молекул. Фотон – элементарный квант (порция) света в оптическом диапазоне длин волн. В более широком смысле фотон – то же самое для любых длин волн. Хиральность – способность молекул существовать в двух изомерных состояниях с «правым» и «левым» расположением атомов. Экосфера – совокупность всех экосистем. Эколого-географический критерий вида – это ареал (область) его обитания. Энтелехия – целенаправленное активное начало (по Аристотелю), превращающее возможность в действительность. Этология – наука о правилах поведения, нормах поведения общности людей, выражающихся в системе отрицаний, законов и разрешений. Эукариоты – организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделенное оболочкой от цитоплазмы. ТВОРЦЫ НАУКИ Аристотель (384 – 322 до н. э.), древнегреческий ученый. Боголюбов Н. Н. (р. 1909), выдающийся советский физик-теоретик и математик. Бозе Д. Ч. (1858 – 1937), индийский физик, физиолог. Больцман Л. (1844 – 1906), немецкий физик. Бор Н. (1885 – 1962), один из создателей квантовой физики, Нобелевский лауреат. Борн М. (1882 – 1970), один из создателей квантовой физики, Нобелевский лауреат. Браге Тихо (1546 – 1601), датский астроном. Бриллюэн Леон (1889 – 1969), французский физик. Бройль Луи де (1875 – 1987), французский физик, Нобелевский лауреат. Бруно Джордано (1548 – 1600), итальянский философ, поэт (сожжен инквизицией). Бутлеров А. М. (1828 – 1886), русский химик-органик. Вайнберг С. (р. 1933), американский физик, независимо предложил модель единого слабого и электромагнитного взаимодействия. Вернадский В. И. (1863 – 1945), российский ученый, создатель биогеохимии. Галилей Галилео (1562 – 1642), итальянский ученый. Гамов Георгий Романович (1904 – 1964), американский физик. Гейзенберг В. (1901 – 1976), немецкий физик, Нобелевский лауреат. Гелл-Манн (р. 1929), американский физик, Нобелевский лауреат. Гермес – вестник богов Олимпа в Древней Греции. Гиббс Д. У. (1839 – 1903), американский физик, создатель статистической физики. 96 Дальтон Д. (1766 – 1844), английский химик. Дарвин Ч. (1809 – 1882), английский ученый, создатель эволюционной теории. Демокрит (ок. 460 до н. э. – ?), древнегреческий философ, основатель атомизма. Джоуль Д. П. (1818 – 1889), английский физик. Дирак П. (1902 - 1984), английский физик и математик. Допплер К. (1803 – 1853), австрийский астрофизик. Евклид (3 в. до н. э.), древнегреческий математик. Жаботинский А. М., советский ученый биофизик. Кант И. (1724 – 1804), немецкий философ. Кантор Г. (1845 – 1918), немецкий математик, создатель теории множеств. Карно С. (1796 – 1832), французский ученый. Кеплер И. (1571 – 1630), немецкий астроном. Клаузиус Р. (1822 – 1888), немецкий физик. Крениг А. К. (1822 – 1879), немецкий физик, высказал мысль о применении вероятностных методов расчета к описанию молекулярного движения. Кулон Ш. О. (1736 – 1806), французский физик. Лавуазье А. (1743 – 1794), французский химик. Лаплас П. (1749 – 1827), французский физик, математик астроном. Лейбниц Г. (1646 – 1716), немецкий математик, физик, философ. Ли Б. (1935 – 1977), американский физик, родился в Сеуле. Ли Т. (р. 1926 в Шанхае), американский физик. Линней К. (1707 – 1778), шведский ученый, создавший систему классификации растительного и животного мира. Ломоносов М.В. (1711 – 1765), русский ученый: физик, химик, астроном, металлург. Лоренц Х. А. (1853 – 1928), нидерландский физик. Лукреций Кар Т. (99 – 45 до н. э.), древнегреческий философ. Майер Ю. Р. (1817 – 1878), немецкий ученый. Максвелл Дж. К. (1831 – 1879), создатель классической электродинамики. Менделеев Д. И. (1834 – 1907), русский ученый, в основном химик. Мендель Г. И. (1822 – 1884), австрийский ученый – основоположник учения о наследственности. Ньютон Исаак (1643 – 1727), английский ученый: физик, математик, химик. Онсагер Ларс (1903 – 1976), один из создателей неравновесной термодинамики. Опарин А. И. (1894 – 1980), советский биохимик. Павлов И. П. (1849 – 1936), советский физиолог. Планк Макс (1858 – 1947), основоположник квантовой физики, лауреат Нобелевской премии. Пригожин И. Р. (р. в 1917 в Москве), бельгийский физик и физико-химик, Нобелевский лауреат, создатель неравновесной термодинамики открытых систем. Резерфорд Э. (1871 – 1937), английский физик, Нобелевский лауреат. Салам Абдус (р. в 1926), пакистанский физик, разработал единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. Тимофеев-Ресовский (1900 – 1981), советский генетик. Фарадей М. (1791 – 1876), английский физик. Фейнман Р. (р. в 1918), американский физик (квантовая электродинамика), Нобелевский лауреат. Ферми Э. (1901 – 1954), итальянский физик. Фридман А. А. (1888 – 1925), советский математик, геофизик. Хаббл Э. П (1889 – 1953), американский астроном. Хакен Г. (р. в 1927), немецкий физик. Шарден П. Т. де (1881 – 1955), французский геолог, палеонтолог. Шеннон К. (р. в 1916), американский математик. Эйлер Леонард (1707 – 1783), академик Российской Академии наук, автор более 850 научных трудов по математике, физике и астрономии. 97 Эйнштейн А. (1879 – 1955), американский ученый, физик, родился в Германии. Эмпедокл (ок. 490 – ок. 430 до н. э.), древнегреческий философ. Энгельс Ф. (1820 – 1895), один из основоположников марксизма. Эпикур (341 – 270 до н. э.), античный философ. Янг Ч. (р. в 1922 г. В Китае), американский физик. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ Световой год 9460 млрд. км. = 63204 астрономических единиц = 0,30678 парсек. Парсек 30872,5 млрд. км. = 206265 астрономических единиц = 3,2635 световых лет. Скорость света 299797 км /с. Постоянная Планка 6,62 ·10- 34 Дж·с. Постоянная закона всемирного тяготения 6,67·10-11 Н·м2· кг - 2. Заряд электрона 1,6·10 -19 кулон. Масса покоя электрона 9,1·10 -31 кг. Масса покоя протона 1,67·10-27 кг. Радиус первой боровской орбиты в атоме водорода 5,29·10 -11 м. Классический радиус электрона 2,81·10 -15 м. Постоянная Больцмана 1,38·10 -23 Дж /град. В нашей Галактике (Млечный путь) около 100 млрд. звезд, Радиус нашей Галактики50 тыс. св. лет. Солнце в ней находится на расстоянии 27 тыс. св. лет. от ее центра. Толщина Галактики 16 св. лет. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики 220 км/с, Период обращения солнечной системы - 230 млн. лет. Масса Галактики около 100 млрд. солнечных масс. Солнечная система: Масса Солнца - 1,989·1030 кг, Радиус Солнца – 6,959·108 м. Среднее расстояние от Солнца до Земли - астрономическая единица = 1,496·1011 м. Масса Земли 5,976·1024 кг, Объем Мирового океана 13,7·109 км3. Радиус Земли – 6,37 106м Расстояние от Земли до Луны (среднее) – 3,844·108 м. Масса Луны 7,350·1022 кг. Радиус Луны 1,737·106 м. Температура поверхности Солнца 5800К, а в его центре (13,6 1,2)·106 К. Сила света Солнца 3,07·1027 свечей. Полное излучение Солнца 3,9·1033 эрг/сек. Среднее расстояние от Солнца в астрономических единицах до: Меркурия – 0,387, Венеры – 0,723, Земли – 1,0, Марса – 1,524, Цереры – 2,767, Юпитера – 5,203, Сатурна – 9,539, Урана – 19,191, Нептуна – 30,071, Плутона – 39,518. Множество Галактик образует Метагалактику.=>Вселенная состоит из Метагалактик, Радиус Вселенной около 12,5 млрд. св. лет. Возраст Вселенной около 12,5 млрд. лет с момента «Большого Взрыва». Период «расширения-сжатия» Вселенной от 82 до 288 млрд. лет. Период пульсации Вселенной – 160·1052 млрд. лет (по Махабхарате). Усредненная плотность вещества, входящего в галактики 3·10–34 г/см3, её критическое значение 10–32 г /см3. Планковая длина - 10–35 м. Планковское время 10–43 сек. Планковская масса – 10-8 кг. 98 Планковская плотность вещества Вселенной в момент начала её расширения1096 г /см3. Число галактик в наблюдаемой части Вселенной 1010, Масса этой части Вселенной 10543·1056 г. Постоянная Хаббла Н = (71 ± 6) км·с–1·Мпс–1 99
