Богданова Ирина Юрьевна

Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Составитель Богданова Ирина Юрьевна

Концепции современного естествознания. Шпаргалки

1. Понятие и задачи естествознания

В древнем мире науки о природе именовали по-гречески физис , отсюда и пошло современное название основополагающей естественной науки – физики. Под физисом понимались знания человека об окружающем его мире. В Европе научные знания было принято называть натурфилософией , поскольку они формировались в эпоху, когда главной из наук считалась философия; в Германии XIX в. натурфилософией назывались все естественные науки в целом.

В современном мире под естествознанием понимают либо-либо: а) единую науку о природе в целом; б) всю совокупность наук о природе. В любом случае предметом изучения естествознания выступает природа, понимаемая как окружающий человека мир и сам человек в том числе.

К естественным наукам относят физику, химию, биологию, космологию, астрономию, географию, геологию, психологию (не полностью) и так называемые стыковые науки – астрофизику, биофизику, биохимию и т. п. и прикладные – географию, геохимию, палеонтологию и т. д.

Изначально перед естествознанием стояли задачи познания окружающего мира и его объективных законов. В древности этим занималась математика и философия, позже – математика, химия и физика, а после разделения научного знания на более узкие науки – все перечисленные выше и более узкие из неперечисленных.

Условно говоря, естествознание было призвано решить ряд загадок или так называемых вечных вопросов: о происхождении мира и человека, об уровнях устройства мира, о преобразовании мертвого в живое и, наоборот, о векторе направления времени, о возможности сверхдальних путешествий в пространстве и т. п. На каждом этапе развития знания оказывалось, что задачи решены только частично. И каждый новый этап знания приближал решение, но задач так и не смог решить.

В современном естествознании под комплексом задач понимается познание объективных законов природы и содействие их практическому использованию в интересах человека, при этом практическая ценность полученного знания оказывается решающим фактором, что определяет вопросы финансирования: перспективные отрасли науки получают хорошее финансирование, неперспективные из-за слабого финансирования развиваются медленнее.

2. Взаимосвязь естественных наук

Все явления в мире связаны друг с другом, поэтому естественны тесные связи между науками о природе. Любой живой и неживой объект окружающего мира можно описать математически (величина, вес, объем, соотношение между этими категориями), физически (свойства вещества, жидкости, газа, из которых он состоит), химически (свойства происходящих в нем химических процессов и реакции вещества объекта) и т. п.

Иными словами, объекты окружающего мира, будь они живые или неживые, подчиняются открытым человеком законам существования этого мира – физическим, математическим, химическим, биологическим и т. п. На протяжении длительного времени бытовал упрощенный взгляд на сложные живые объекты и явления, к ним пробовали применять те же законы, что существуют в неживой природе, поскольку понять и описать процессы в живых организмах ученые могли только с механистической точки зрения.

Это был упрощенный, хотя для того времени вполне научный взгляд; мы называем его редукционным . В современном научном знании, напротив, существует другой подход – целостный, или холистический . В сложных объектах и явлениях действуют все известные человеку законы природы, но они действуют не отдельно, а в синтезе, поэтому и рассматривать их изолированно друг от друга не имеет смысла. Редукционный подход определял применение аналитического метода, то есть предполагал разложение сложного объекта на мельчайшие составляющие, холистический предполагает исследование объекта как совокупность всех его составляющих, что требует изучения на гораздо более сложном уровне всех существующих связей. Оказалось, что даже для изучения неживой материи недостаточно опираться на известные законы физики и химии, а требуется создавать новые теории, рассматривающие такие объекты с новой точки зрения. Известные законы в результате этого отменены не были, а новые теории открыли новые горизонты знаний и способствовали рождению новых отраслей естественных наук (например, квантовой физики).

3. Деление естественных наук на фундаментальные и прикладные

Естественные науки можно разделить на фундаментальные и прикладные. Прикладные науки решают некий общественный заказ, то есть их существование направлено на выполнение задания от общества, востребованного на данном этапе его развития. Фундаментальные науки никакого заказа не выполняют, они заняты получением знания о мире, так как получение такого знания – их прямая обязанность.

Фундаментальными они называются потому, что являются тем фундаментом, на котором строятся прикладные науки и научно-технические изыскания (или технологии). В обществе к фундаментальным исследованиям всегда существует скептическое отношение, и это понятно: они не приносят необходимых дивидендов немедленно, так как опережают развитие существующих в обществе прикладных наук, и это запаздывание «полезности» обычно выражается в десятилетиях, а иногда и столетиях. Открытие Кеплером законов взаимосвязи орбиты космических тел и их массы не принесло современной ему науке никакой пользы, но с развитием астрономии, а затем и космических исследований стало актуальным.

Фундаментальные открытия с течением времени становятся базой для создания новых наук или отраслей существующих наук и способствуют научно-техническому прогрессу человечества. Прикладные науки прочно связаны с прогрессом таких знаний, они вызывают бурное развитие новых технологий.

Под технологиями в узком смысле принято понимать совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, а также сами технологические процессы, при которых происходит качественное изменение обрабатываемого объекта; в широком смысле это обусловленные состоянием знаний и общественной эффективностью способы достижения целей, поставленных обществом.

В быту под технологиями понимаются технические устройства (еще более узкий смысл слова). Но в любом смысле технологии обеспечиваются прикладными науками, а прикладные науки обеспечиваются фундаментальными науками. И можно выстроить трехуровневую схему взаимосвязей: командные высоты займут фундаментальные науки, этажом ниже встанут прикладные науки, внизу окажутся технологии, которые без наук существовать не могут.

4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Изначальное познание мира не было расчленено на естественнонаучное и художественное, в Греции натуральная философия изучала мир в комплексе, не пытаясь отделить материальное от духовного или духовное от материального. Этот процесс распадения знания на две части пошел в средневековой Европе (хотя и медленно) и достиг пика в эпоху Нового времени, когда произошедшие социальные революции привели к промышленным революциям и возросла ценность научного знания, поскольку оно и только оно способствовало прогрессу.

Духовная культура (искусство, литература, религия, мораль, мифология) материальному прогрессу способствовать не могла. Людям, финансирующим технологии, она была неинтересна. Другой причиной являлось то, что гуманитарная культура была пропитана религией и развитию естественнонаучного знания не помогала (скорее мешала). Бурно развиваясь, естественные науки очень быстро стали вычленять внутри себя все новые и новые отрасли, становящиеся самостоятельными науками. Единственной связью, которая не давала им распасться на изолированные и замкнутые на самих себя науки, была философия.

Философия была наукой гуманитарной по определению, но базовой для естественных дисциплин. Со временем в науках становилось все меньше философии и все больше расчетов и прикладных элементов. Если в средние века законы мироздания изучались с глобальной целью – познать мироустройство, данное людям богом, чтобы совершенствовать человека для жизни в мире, построенном богом, то в более позднее время гуманитарная составляющая ушла из естественных наук, они занялись добычей «чистого» знания и открытием «чистых» законов, исходя из двух принципов: дать ответ на вопрос «как это устроено» и дать совет «как это использовать для прогресса человечества».

Произошел раздел мыслящей части человечества на гуманитариев и ученых. Ученые стали презирать гуманитариев за неумение пользоваться математическим аппаратом, а гуманитарии стали видеть в ученых «сухарей», в которых не осталось ничего человеческого. Процесс достиг пика во второй половине XX в. Но затем стало ясно, что человечество вступило в экологический кризис, и гуманитарное знание необходимо как элемент для нормального функционирования естественных наук.

5. Этапы естественнонаучного познания природы

История развития научного знания – долгий и сложный процесс, который можно условно разделить на несколько этапов.

Первый этап охватывает период от за рождения натурфилософии до XV в. В этот период научное знание развивалось синкретически, то есть недифференцированно. Натурфилософия представляла мир как единое целое, царицей наук была философия. Основными методами натурфилософии были наблюдение и предположение. Постепенно, примерно к XIII веку, из натурфилософии стали выделяться узкоспециализированные области знаний – математика, физика, химия и т. п. К XV в. эти области знаний оформились в конкретные науки.

Второй этап – с XV по XVIII вв. На первое место в методах наук вышел анализ, попытка расчленить мир на все более мелкие составляющие части и изучить их. Главной проблемой этого времени стал поиск онтологической основы мира, структурированного из первобытного хаоса. Все более мелкое членение мира на части вызвало и более мелкое членение натурфилософии на отдельные науки, а тех – на еще более мелкие. (Из единой философической алхимии образовалась наука химия, которая затем разошлась на неорганическую и органическую, физическую и аналитическую и т. п.)

На втором этапе появился новый метод науки – эксперимент . Знания приобретались в основном эмпирически, то есть экспериментальным путем. Но внимание было направлено не на явления, а на объекты (предметы), благодаря чему природа воспринималась в статике, а не в изменении.

Третий этап охватывает XIX–XX вв. Это был период бурного прироста научного знания, бурного и короткого научного прогресса. За этот период человечество получило больше знаний, чем за всю историю существования науки. Этот период принято называть синтетическим, поскольку главным принципом этого времени является синтез .

С конца XX в. наука перешла на новый, интегрально-дифференциальный этап . Это объясняет появление универсальных теорий, совмещающих в себе данные различных наук с наличием очень сильной гуманитарной составляющей. Главным методом является соединение синтеза и эксперимента .

6. Формирование научной картины мира

Научный взгляд на мир так же, как и сама наука, прошел несколько этапов развития. Вначале преобладала механистическая картина мира , руководствовавшаяся правилом: если в мире существуют физические законы, то их можно применить к любому предмету мира и любому его явлению. В этой картине мира не могло быть никаких случайностей, мир твердо стоял на принципах классической механики и подчинялся законам классической механики.

Механистический взгляд на мир складывался в эпоху наличия религиозного сознания даже у самих ученых: основу мира они находили в Боге, законы механики воспринимались как законы Творца, мир рассматривался только как макромир, движение – как механическое движение, все механические процессы были обусловлены принципом сложного детерминизма, под которым в науке понимается точное и однозначное определение состояния любой механической системы.

Картина мира в ту эпоху выглядела как совершенный и точный механизм, подобный часам. В этой картине мира не было свободной воли, была судьба, не было свободы выбора, был детерминизм. Это был мир Лапласа.

Эту картину мира сменила электромагнетическая , в основе которой лежал не макромир, а поле и свойства только что открытых человеком полей – магнитного, электрического, гравитационного. Это был мир Максвелла и Фарадея. Ему на смену пришла картина квантового мира , рассматривавшего мельчайшие составляющие – микромир со скоростями частиц, близким к скорости света, и гигантские космические объекты – мегамир с огромными массами. Эта картина подчинялась релятивистской теории. Это был мир Эйнштейна, Гейзенберга, Бора. С конца XX в. появилась современная картина мира – информационная, синергетическая , построенная на основе самоорганизующихся систем (как живой, так и неживой природы) и теории вероятности. Это мир Стивена Хокинга и Билла Гейтса, мир складок пространства и искусственного интеллекта. Технологии и информация в этом мире решают все.

7. Глобальные естественнонаучные революции

Отличительная черта развития естествознания в том, что, длительно эволюционно развиваясь в рамках натурфилософии, затем оно развивалось путем резких революционных изменений – естественнонаучных революций . Для них характерны следующие черты: 1) развенчание и сброс старых идей, мешающих прогрессу; 2) совершенствование технической базы со стремительным расширением знаний о мире и зарождением новых идей; 3) появление новых теорий, понятий, принципов, законов науки (которые могут объяснить необъяснимые с точки зрения старых теорий факты) и быстрое признание их основополагающими. Революционные последствия может дать как деятельность одного ученого, так и деятельность коллектива ученых или всего общества в целом.

Революции в сфере естествознания могут относиться к одному из трех типов :

1)  глобальные – затрагивают не одно какое-то явление или область знания, а все наше знание о мире целиком, формируя либо новые отрасли наук или новые науки, а иногда полностью переворачивая представление общества об устройстве мира и создавая другой способ мышления и другие ориентиры;

2)  локальные – затрагивают одну область знания, одну фундаментальную науку, где коренным образом изменяется основополагающая идея, переворачивая базовые знания данной отрасли, но в то же время не затрагивая не то что основ, но и фактов в соседствующей области знания (например, теория Дарвина стерла аксиому биологии о неизменности видов живых существ, но никак не отразилась на физике, химии или математике);

3)  частные – касаются отдельных нежизнеспособных, но широко распространенных теорий и понятий в какой-то области знания – они под напором фактов рушатся, но старые и не входящие в противоречия с новыми фактами теории остаются и плодотворно развиваются. Из новых идей может родиться не только новая теория, но и новая отрасль науки. Основополагающая идея в ней старых обоснованных теорий не отвергает, но создает настолько революционную, что она не находит места рядом со старыми и становится базой для новой научной отрасли.

8. Космология и естественнонаучные революции

Слом старого видения мира в естествознании всегда был тесно связан с космологическими и астрономическими знаниями. Космология, занятая вопросами происхождения мира и человека в нем, базировалась на существующих мифах и религиозных представлениях людей. Небо в их мировоззрении занимало ведущее место, поскольку все религия объявляли его местом, где живут боги, а видимые звезды считались воплощениями этих богов. Космология и астрономия и до сих пор тесно связаны, хотя научное знание избавилось от богов и перестало считать космос местом их обитания.

Первой космологической системой человека была топоцентрическая , то есть считавшая главным местом происхождения жизни поселение, где рождался миф о происхождении жизни, человеке и каком-то местном божке. Топоцентрическая система размещала центр происхождения жизни на планете. Мир был плоским.

С расширением культурных и торговых связей мест и божков стало слишком много, чтобы топоцентрическая схема могла существовать. Появилась геоцентрическая система (Анаксимандр, Аристотель и Птолемей), рассматривавшая вопрос происхождения жизни в глобальном, планетарном объеме и помещавшая Землю в центре известной человеку системы планет. В результате аристотелевой революции мир стал сферическим, а Солнце вращалось вокруг Земли.

Геоцентрическую сменила гелиоцентрическая система, в которой Земле отводилось рядовое место среди других планет, а источником жизни объявлялось Солнце, расположенное в центре Солнечной системы. Это была копернианская революция . Идеи Коперника способствовали избавлению от догматизма религии и появлению науки в современном ее виде (классическая механика, научные труды Кеплера, Галилея, Ньютона).

Современник Коперника Дж. Бруно выдвинул не оцененную в его время идею полицентризма – то есть множественности миров. Через несколько веков эта идея нашла воплощение в трудах Эйнштейна и релятивистской теории (теории относительности), появились космологическая модель однородной и изотропной Вселенной и квантовая физика.

Мир стоит на пороге новой глобальной революции естественных наук, должна родиться теория, связывающая общую теорию относительности со структурой материи.

9. Уровни научного познания

Современное естествознание оперирует двумя уровнями научного познания – эмпирическим и теоретическим.

Под эмпирическим уровнем познания подразумевается экспериментальное получение фактического материала. К эмпирическому познанию относятся чувственно-наглядные методы и способы познания (систематическое наблюдение, сравнение, аналогия и др.), которые приносят множество фактов, требующих обработки и систематизации (обобщения). На этапе эмпирического познания факты регистрируются, детально описываются и систематизируются. Для получения фактов производятся эксперименты с использованием регистрирующих приборов.

Хотя наблюдение подразумевает пользование человеком своими пятью органами чувств, ученые не доверяют непосредственным чувствам и ощущениям человека и для точности используют приборы, неспособные ошибаться. Но в качестве наблюдателя все равно присутствует человек, объективность эмпирического уровня не способна выключить субъективный фактор – наблюдателя. Для экспериментов характерны методы проверки и перепроверки данных.

Под теоретическим уровнем познания подразумевается обработка эмпирических результатов и создание теорий, которые могут данные объяснить. Именно на этом уровне происходит формулирование открытых учеными закономерностей и законов, а не просто повторяющихся последовательностей или разобщенных свойств каких-то явлений или предметов. Задача ученого – найти, объяснить и научно обосновать закономерности в материале, полученном эмпирическим путем, и создать на этой основе четкую и стройную систему мироустройства. Теоретический уровень познания имеет две разновидности: теории отвлеченные фундаментальные (лежащие в стороне от существующей действительности) и теории, направленные на конкретные области практического знания.

Эмпирическое и теоретическое знание связано друг с другом и не существует одно без другого: опыты ставятся, основываясь на существующих теориях; теории строятся, исходя из полученного экспериментального материала. Если он не соответствует существующим теориям, то либо неточен, либо требуется создание новой теории.

10. Общенаучные методы познания: анализ, синтез, обобщение, абстрагирование, индукция, дедукция

К общенаучным методам познания относятся анализ, синтез, обобщение, абстрагирование, индукция, дедукция, аналогия, моделирование, исторический метод, классификация.

Анализ – мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его мельчайшие части. Синтез — объединение изученных в результате анализа элементов в единое целое. Анализ и синтез применяются как взаимодополняющие друг друга методы. В основе такого способа познания лежит желание разобрать нечто, чтобы понять, почему и как оно работает, и собрать снова, чтобы убедиться, что работает именно потому, что имеет изученное строение.

Обобщение – процесс мышления, заключающийся в переходе от единичного к целому, от частного к общему (в принципах формальной логики: Кай – человек, все люди – смертны, Кай – смертен).

Абстрагирование — процесс мышления, заключающийся в добавлении определенных изменений в изучаемый объект или исключении из рассмотрения некоторых свойств объектов, которые не считаются существенными. Абстракциями являются такие понятия, как

(в физике) материальная точка, обладающая массой, но лишенная остальных качеств, бесконечная прямая (в математике) и т. п. Индукция – процесс мышления, заключающийся в выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов. Индукция может быть полной и неполной. Полная индукция предусматривает наблюдение всей совокупности объектов, из которого следуют общие выводы, но в экспериментах используется неполная индукция , делающая вывод о совокупности объектов, исходя из изучения части объектов. Неполная индукция предполагает, что вынесенные за скобки эксперимента аналогичные объекты обладают теми же свойствами, что и изученные, и это позволяет использовать экспериментальные данные для теоретического обоснования. Неполную индукцию принято называть научной. Дедукция – процесс мышления, заключающийся в проведении аналитического рассуждения от общего к частному. Дедукция базируется на обобщении, но проводимом от неких исходных общих положений, считающихся неоспоримыми, к частному случаю для получения истинно верного вывода. Наибольшее распространение дедуктивный метод получил в математике.

11. Общенаучные методы познания: аналогия, моделирование, исторический метод, классификация

Аналогия – процесс мышления, заключающийся в признании тождества какого-то признака двух предметов или явлений на основании их тождества в других признаках. Аналогия позволяет понять более сложные явления, исходя из их уподобления более простым.

Моделирование – воспроизведение свойств реального объекта на аналогичной ему модели. Модели можно разделить на два типа – материальные и абстрактные . Первые являются копиями реальных предметов или явлений (макеты построек, модели технических средств, смоделированные в лабораторных условиях природные явления и т. п.), вторые реально не существуют, они являются лингвистическими или математическими моделями (в виде системы уравнений).

Исторический метод – воспроизведение истории объекта во всей его многогранности, с учетом всех изменений и случайностей; к нему примыкает логический метод, основанный на логическом воспроизведении истории объекта с применением причинно-следственного аппарата.

Особым и сугубо научным методом познания является классификация (систематизация) , то есть распределение в зависимости от общих признаков тех или иных объектов по классам (отделам, разрядам, группам и т. п.), фиксирующее закономерные связи между классами в единой системе, характерной для конкретной науки. Классификации являлись отправными точками для становления той или иной науки (например, биологии – после классификаций Бюффона и Ламарка).

Классификация – процесс упорядочивания известной уже информации, а при изучении новых объектов и явлений в их отношении делается вывод, принадлежат ли они к существующим классификационным группам или нет. При накоплении какого-то количества не поддающихся классификации объектов происходит пересмотр системы классификации. Для правильного упорядочивания объектов создана так называемая теория классификации, или таксономия, которая разработала принципы классификации и систематизации сложно организованных явлений и совокупностей объектов и применяется для создания классификационных систем в разных отраслях наук.

12. Методы эмпирического и теоретического познания

К методам эмпирического и теоретического познания относят наблюдение, эксперимент, измерение.

Наблюдением называется целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Это самый древний метод научного познания, имеющий пассивный характер: наблюдатель не вмешивается в наблюдаемое явление, но только фиксирует происходящие изменения. В науке наблюдения ведутся для сбора фактов для защиты или опровержения существующих гипотез, на основе наблюдений факты получают то или иное теоретическое обобщение.

В отличие от наблюдения эксперимент является способом исследования, имеющим активный характер. Наблюдатель в эксперименте вмешивается в его процесс и сам задает условия проведения эксперимента, контролирует ход эксперимента, при необходимости вносит по ходу дела коррективы.

Эксперимент как научный метод познания имеет особенности : 1) исследуемый объект изолируется от влияния побочных явлений, которые экспериментатор признает как несущественные; 2) предполагает не просто воспроизведение какого-то явления, а многократное воспроизведение наблюдаемого процесса; 3) для эксперимента характерно целенаправленное изменение условий протекания изучаемого процесса или состояния самого объекта.

Измерением в науке называется материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения, а число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением данной величины. Измерение касается протяженности объектов в пространстве, временных показателей и свойств объектов, которые можно выразить математическими величинами (удельный вес, плотность, температура, длина, ширина, высота, скорость и т. п.).

Выбираемый способ познания зависит от поставленной цели и учитывает принцип относительности свойств объекта к средствам наблюдения, эксперимента и измерения (например, существование света как в волновом, так и в корпускулярном виде одновременно требует одних экспериментов для изучения его волновой природы, совершенно других – для изучения его корпускулярной природы; существование веществ в четырех агрегатных состояниях предполагает постановку различных экспериментов для каждого из состояний и т. п.).

13. Формы научного знания

Формы научного знания включают в себя проблемы, научные факты, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории и законы.

Под научными проблемами понимаются вопросы, которые необходимо разрешить науке, но для решения которых не хватает сведений.

Под научными фактами понимаются научные сведения, которые установлены и многократно проверены, признаны наукой. Это такие достоверные сведения, которые невозможно опровергнуть. Некоторые факты не соответствуют истинности, их принято называть тенденциозными, то есть отобранными для доказательства не до конца проверенного положения или ошибочной гипотезы.

Гипотезой называется предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказаны, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении следующих требований: отсутствия противоречий общепризнанным фактам, соответствии установленным и неопровержимым теориям, верифицируемости (то есть доступности экспериментальной проверке), максимальной простоты (следование принципу бритвы Оккама).

Научными теориями называется совокупность научных знаний, способная объяснить существование тех или иных проверенных фактов и установить верность тех или иных гипотез.

Научными концепциями называются наиболее общие и важные фундаментальные положения теорий. Главным отличием научных теорий и концепций от гипотез является их доказанность и достоверность. В задачи научных теорий входит объяснение уже зафиксированных научных фактов и предсказание новых, еще не открытых фактов и закономерностей.

Научными принципами называются наиболее общие и важные фундаментальные положения теории, на основе которых создаются новые теории. Научные принципы базируются на законах и категориях науки и раскрываются через их совокупность.

Законами науки называется отражение существенных связей между явлениями в форме теоретических утверждений, категориями науки – наиболее общие понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, предметов и явлений объективного мира.

Совокупность научных теорий, описывающих явления действительности созвучно уровню сознания общества, называется научной картиной мира . Для каждой эпохи эта картина своя.

14. Научные подходы

К общенаучным подходам принято относить следующие:

1)  структурный – направлен на изучение внутреннего строения системы, характера и специфики связей между ее элементами;

2)  функциональный – занят изучением функциональных зависимостей элементов данной системы, а также ее входных и выходных параметров;

3)  алгоритмический – используется при описании информационных процессов, функционирования систем управления и в случаях, если есть возможность представить изучаемое явление в виде процесса, происходящего по строгим правилам;

4)  вероятностный – ориентирован на выявление статистических закономерностей и изучение процессов как статистических ансамблей;

5)  информационный – связан с выделением и исследованием информационного аспекта различных явлений действительности (объема потока информации, способов ее кодирования и алгоритмов переработки).

В современной науке как общенаучный подход все чаще всего используются системный подход и глобальный эволюционизм.

Под системным подходом принято понимать такой подход к изучению объектов или явлений, когда они рассматриваются как единая система, то есть как части и элементы некоего целого образования. Взаимодействуя друг с другом, эти элементы наделяют единую систему новыми качествами, не свойственными в отдельности ни одному элементу или части системы. Современный системный подход понимает окружающий мир как единую систему, построенную из отдельных разноуровневых систем по принципу иерархии. Внутри самой системы существует два типа связей – горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные связи имеются у элементов одного порядка, вертикальные – у элементов, подчиняющихся другим элементам (связи субординации). Глобальный эволюционизм предполагает наличие связи между всеми явлениями и объектами окружающего мира, эта единая система развивается путем самоорганизации согласно законам эволюции по единому алгоритму, то есть от простого к сложному. Глобальный эволюционизм как научный подход появился во второй половине XX в. и опирается на идею о том, что Вселенная непрерывно развивается и ни один ее элемент не может существовать вне эволюционного процесса.

15. Критерии научного познания

Не всякий существующий факт может оказаться научным фактом. Для части людей признанными являются недостоверные, то есть ненаучные факты. Их признание чревато для общества тем, что наука оказывается мишенью для насмешек, а на первый план выходят общественные суеверия, мистика и религия, которые благодаря непросвещенности и равнодушию к настоящим проблемам науки становятся для людей неоспоримыми истинами.

Каждый переломный этап в развитии общества выражается этим интересом к ненаучному знанию, затуманивающему ясную и объективно достоверную картину мира. Некоторые плохо объяснимые факты тоже помогают появлению их ненаучного объяснения (например, при выявлении свойств микромира всерьез заговорили о воле Бога, управляющего движением электронов; особенности поведения сверхмалых частиц заставили усомниться в правильности закона сохранения энергии и т. п.), но как только появляется научная теория, учитывающая и способная объяснить новые факты без обращения к мистике или религии, они ложатся в научную схему и расширяют и дополняют научное знание.

Критериями научного познания является возможность экспериментальной проверки теоретических положений и теоретического обоснования экспериментальных фактов, причем эксперименты не должны нарушать ни единого теоретического момента, а теории должны опираться на весь базовый комплекс научного знания.

Научные факты должны укладываться в существующие в данной науке старые теории и не иметь с ними кардинальных противоречий. Для объяснения новых фактов нередко приходится создавать новые теории, но новая теория строится с учетом существующих законов (физических, химических, биологических и т. п.), и если какой-то сложный факт кажется несоответствующим существующим законам, то, скорее, он неверно истолкован, чем неверны законы, действующие для остальных фактов.

Например, можно построить инерционную модель, работающую длительное время без источника питания, но нельзя построить вечный двигатель, не имеющий никакого источника питания. Каждое новое явление или объект занимают свое место в определенной классификационной схеме и соотносятся с другими фактами. Нельзя объяснять факты, не поддающиеся рациональному объяснению, существованием некоей внешней силы, создающей особые законы для данных фактов.

16. Предмет и структура естествознания

Под естествознанием понимается единый комплекс естественных наук, прочно связанных между собой и дополняющих друг друга. Естествознание, хотя и разбито на отдельные научные отрасли, имеет предметом своего изучения одни и те же природные явления и с позиций нескольких наук выявляет общие закономерности и тенденции. Это связано с тем, что природа, как и само естествознание, является огромной единой целостной системой, в которую входит все многообразие живых и неживых объектов и физических и химических явлений, которые относятся к микро-, мега– и макромиру, то есть к Земле со всем ее содержимым и Вселенной.

Фундаментом естественных наук считается физика , которая изучает материальные тела, их движение, превращения и формы проявления на различных уровнях. Базовым разделом физики является механика (учение о равновесии и движении тел или их частей в пространстве и времени), включающая следующие разделы: статику (условия равновесия тел); кинематику (движение тел с геометрической точки зрения); динамику (движение тел под действием приложенных сил); гидростатику (условия равновесия тел в жидкости); пневмо– и гидродинамику (движение тел под действием приложенных сил в воздушной и жидкостной среде).

В физику входят также термодинамика (тепловые процессы), физика колебаний (волн), оптика, физика поля, акустика, атомная физика, физика элементарных частиц и др.

На физике базируется химия , включающая неорганическую и органическую части, которая изучает химические элементы, их свойства, превращения и соединения. На химии базируется биология , изучающая клетку и все производное от нее, то есть живую материю во всем многообразии. Биология включает в себя ботанику (растительное царство); зоологию (мир животных); анатомию; физиологию; эмбриологию (строение; функции и развитие организма); цитологию (живая клетка); гистологию (свойства тканей); палеонтологию (ископаемые останки); генетику (проблемы наследственности и изменчивости).

На трех основных науках основаны все науки о Земле – геология, география, экология и др.). А на этой единой базе – космология , которая изучает Вселенную как целое и включает астрономию и космогонию .

17. Начальный этап развития естествознания

Первые знания о природе человек получил еще в первобытном обществе. Это были знания, выявленные в результате систематического наблюдения одних и тех же явлений и одних и тех же свойств предметов или полученные в результате жизненного опыта (дерево не тонет, камень тонет, огонь горячий, лед холодный и т. п.). Знания древних людей были ненаучными, они никак не систематизировались и не имели никакой теоретической базы, а касались только повседневных наблюдений и повседневного опыта.

В странах Древнего Востока (Месопотамия, Египет) знание имело более широкую форму, существовали науки, но они были сплетены воедино с мистическими и религиозными аспектами. Настоящей родиной естественных наук является Греция (VI–IV вв. до н. э.). Греческая наука была рациональна (не прибегала для объяснения фактов к помощи религии и мистики) и системна (стала классифицировать явления и объекты изучения).

Развитию науки способствовало особое устройство греческих городов-государств – с демократическими нормами жизни и изобилием общественных законов. Аналогичный способ организации был применен и в области знаний: если человеческое общество подчиняется законам, то и природа должна подчиняться своим законам. Особенности рабовладельческого способа производства дали в греческом обществе четыре приоритетных занятия – политика, война, искусство, философия; под философией и понималась зарождающаяся наука. Созерцательность и абстрактно-умозрительный взгляд на мир сформировали два основных принципа греческой науки: мышление понятиями и создание всеобъемлющих философских теорий.

Научные изыскания греков не имели практического значения, это было движение чистой философской мысли: планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека. Целью научного познания было изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос. Так появились труды Фалеса, Анаксимандра, Гераклита, Диогена. Единственным инструментом познания они признавали человеческий разум. Греки достигли больших успехов в математике (Пифагор, Евклид, Платон), в учении об атоме (Демокрит, Левкипп), в учении о неуничтожимости материи (Эмпедокл), но естествознание как научную программу создал Аристотель.

18. Представления Аристотеля о движении

Аристотель был автором многочисленных трудов о природе – «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. Впервые в мире он обратил внимание на закономерности движения физических тел и тем самым дал начало разделу физики – механике. Движение Аристотель определял как изменение положения тела в пространстве, аристотелево пространство было заполнено прозрачной материей, аналогичной воздуху. Ему принадлежит высказывание «природа боится пустоты», то есть пространство заполнено подобием эфира. Движение создается без причины движения, самодвижущееся тело имеет в себе источник движения. Он различал движение естественное и насильственное, местное (для тяжелых тел) и огненное (для легких).

В рассуждения Аристотель ввел понятие силы , к которому относится три основных вида силы – тяга, давление и удар. Рассматривая сложное вращательное движение, он вывел определение момента силы, а для естественного падения тела вывел закон V = F/w, где V – скорость, F – сила стремления тела к своему естественному месту, w – сопротивление воздуха.

Согласно закону Аристотеля скорость падения тела зависела от его массы. Эта точка зрения продержалась до времен Галилея. То есть тяжелые тела в силу своей массы устремляются к земле (естественному месту), а легкие тела из-за своей легкости устремляются к огненному эфиру, расположенному за слоем воздуха, высоко к небу, к огню. Небесные тела из «земных» принципов движения он исключал: они движутся по совершенной окружности и для движения силы им не требуется. Небесные тела подчиняются небесным законам (их движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца), неприменимым к земным телам, несовершенным по своей природе. Несовершенные земные тела могут двигаться только с приложением внешней силы, источниками движения для них служат другие тела. Аристотель считал, что движение существует вечно и что первое движение в мире породил перводвигатель, под которым он понимал бога. Физическое взаимодействие он понимал как применение силы движущего к движимому (то есть действие сугубо одностороннее).

19. Представления Галилея о механике

Представления Аристотеля о механике продержались до времени Галилея. Галилей создал новую механику, отвергающую принципы Аристотеля. Он установил физические законы для движения тел, ввел определения для силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения, впервые сопоставил понятие силы с математическим понятием вектора (при определении характера движения в зависимости от приложенной силы, он исходил из направления этой силы или взаимодействия сил), сформулировал четыре аксиомы механики (две о свободном падении, одна – по поводу инерции и одна по поводу относительности движения):

1.  Закон инерции. Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью.

2.  Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связана с высотой, которая пройдена к этому моменту.

3.  Свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.

4.  Внутри равномерно движущейся (так называемой инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.

Принцип относительности он вывел в 1632 г. при помощи мысленных экспериментов, путем абстракции. Принцип предполагает, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение.

Рассуждая о падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, Галилей замечал, что наблюдателю, стоящему на берегу, траектория падения тела представится в виде параболы, поскольку определяющим траекторию тела фактором будет сам корабль, сообщивший телу начальную скорость V0, и траектория падения тела с мачты равносильна траектории снаряда, вылетающего из пушки, то есть тело для наблюдателя падает по параболе.

Рассматривая принцип относительности, Галилей исходил из относительности восприятия движения корабля (для наблюдателя на берегу корабль движется, для наблюдателя внутри корабля – стоит на месте). Потребовалось почти 300 лет, чтобы появилась теория относительности Альберта Эйнштейна.

20. Законы механики Ньютона

I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = mи· a, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, mи – инерциальная масса.

Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Он был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.

III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния: Fгр= γ · mгр· Mгр/r2, где γ – гравитационная постоянная.

Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения: если расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния; а поскольку силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его, то вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты, и следовательно, сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел; согласно современным расчетам гравитационная постоянная: G = (6,673 ± 0,003) · 10-11 нм2кг-2.

21. Методология и оптические теории Ньютона

Ньютон придерживался воззрений меха нистического материализма (то есть стремился объяснить законы физики, исходя из объективного существования материи, пространства и времени), хотя был человеком религиозным в духе своей эпохи и даже на склоне лет написал теологическое сочинение. Пытаясь определить точнее методы своего подхода к научным исследованиям, Ньютон вывел четыре основополагающих принципа :

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений (повторив знаменитый принцип бритвы Оккама).

2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Этот метод называется сегодня гипотетико-дедукционным и используется в современной физике.

Неизгладимый след оставил Ньютон не только в механике. Большое значение имели его исследования в области оптики, которые сразу же получили мировое признание и стали основополагающими на несколько столетий. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами, так возникла корпускулярная теория света. Теория не объясняла некоторых явлений – например, интерференции и дифракции света, поскольку это волновые процессы.

Ньютон понимал неполноту корпускулярной теории и собирался объединить ее с волновой, что, собственно, произошло только в XX в., когда пришедшая на смену корпускулярной волновая теория тоже не смогла объяснить всех явлений.

Ньютон также сделал заявку на теорию возможности превращения тел в свет и света в тела, что было открыто учеными для сверхмалых частиц только в XX в., и теорию влияния тел на распространение света, что было экспериментально доказано Эйнштейном и легло в основу общей теории относительности. Большой заслугой последователей Ньютона было введение в физику методов интегрально-дифференциального исчисления и создание механической картины мира.

22. Понятие научной картины мира

Научной картиной мира называется особая форма систематизации знаний на основе их качественного обобщения и мировоззренческого синтеза различных научных теорий. Понятие научной картины мира появилось в XIX в., но наибольшее распространение и обоснование получило только во второй половине XX в. Само по себе это понятие носит размытые черты и понимается каждой научной отраслью либо с узкоспециальной точки зрения (физическая картина мира, химическая картина мира и т. д.), либо с методологической, синергетической, эволюционной и других точек зрения. Существует общефилософское понимание научной картины мира, которое частично основано на онтологической позиции, частично базируется на естественнонаучных знаниях, не исключая и гуманитарной составляющей.

В целом, в научную картину мира входит господствующее в обществе мировоззрение, понимание человеком его места в этом мире и важнейшие научные достижения. Для каждого времени существует своя картина мира, поскольку знания о мире углубляются и расширяются. И если до XVI–XVII вв. картина мира была натурфилософской, до второй половины XIX в. – механистической, далее – термодинамической, то в XX в. – релятивистской и квантово-механической. Но научная картина мира не включает всю совокупность имеющихся естественнонаучных знаний, она касается представлений общества об основных свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. В научной картине мира присутствуют в равной степени как теоретические знания и образы с высокой долей абстракции, так и наглядные модели. Картины мира выражаются при помощи определенных стереотипов в понимании объективных процессов и способов их познания и интерпретации, которые принято называть в науке парадигмами . В основе научной картины мира всегда лежит физика как наука, определяющая в большей степени организацию человеческого мышления. Основными являются физические теории, объясняющие какие-то факты и постоянно углубляющие понимание природы с помощью новых теорий. Именно физическая компонента в научной картине мира позволяет этой картине развиваться и соответствовать духу времени.

23. Понятия и законы механической картины мира

В основе механической картины мира лежала материалистическая теория, основывавшаяся на классическом атомизме, родоначальником которого был Демокрит . Для своего времени это, несомненно, была передовая и научная картина мира. В ее основу легли труды Галилея и Ньютона. Царившая прежде натурфилософская картина мира опиралась на наблюдение как на единственный метод изучения мира.

Механическая картина мира выдвинула на первый план эксперимент. В качестве метода натурфилософия использовала априорные умозрительные схемы, создававшие для объяснения непонятных явлений дополнительные конструкции, ничего не объясняющие, но кажущиеся весомыми. Именно эти дополнительные сущности и были изгнаны в механической картине мира согласно принципу Оккама (без необходимости не приумножать сущности).

Дополнительные сущности появлялись в натурфилософии по причине непонимания происходящих процессов: наука не знала еще причин реакций между теми или иными веществами и пыталась объяснить выделение тепла наличием в теле теплорода, а процессы окисления с горением – наличием флогистона (особой горючей субстанции). Механистический материализм с этим покончил.

Эксперименты стали сопровождаться математическим аппаратом, точными расчетами, а изобретение телескопа и микроскопа позволило заглянуть в миры, не соразмерные окружающему. Ньютон разработал законы классической механики для физики окружающего мира, Кеплер – законы небесной механики для Вселенной, Левенгук увел биологию к микроскопическим формам и т. п.

Развитие классической механики шло в двух направлениях :

1) как обобщение законов Галилея и исследований Кеплера;

2) как переход к новым методам количественного анализа механического движения. Материя в этой системе представлялась делимой только до уровня атома, пространство – пустым (очевидно, для возможности перемещения неделимых атомов), время – пустым и однонаправленным (от настоящего к будущему), движение – механическим (изменение положения тела в пространстве с течением времени); все взаимодействия сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.

24. Принципы механической картины мира

К принципам механической картины мира относятся принципы относительности, дальнодействия, причинности.

Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и гласил, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными и переход от одной системы к другой происходит с помощью специальных преобразований, разработанных Галилеем. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Неизменное время с неизменной массой соответствует неизменной скорости, а если все указанные параметры неизменны, то силы в обеих системах одинаковы и все механические явления протекают одинаково. Вывод, который на основе рассуждений и вычислений делал Галилей, следующий: покой от равномерного прямолинейного движения невозможно отличить никакими опытами (соответствующими, естественно, механической картине мира).

Принцип дальнодействия был выработан в рамках механистического материализма с неделимыми атомами и пустым пространством: взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Пустая среда, естественно, никакого участия в передаче взаимодействия принимать не могла, а тела рассматривались как материальные точки, которые под воздействием приложенной силы мгновенно перемещались в пустоте.

Принцип причинности был разработан математиком Лапласом и гласил: всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.

Принцип Лапласа был назван лапласовым детерминизмом и предполагал существование связей между явлениями на основе однозначных законов; он закрепился в механистической физике как принцип, что любую основополагающую связь между явлениями можно выразить физическим законом, существование сложных связей эта картина мира не понимала. Есть материя, есть механическое движение, есть для него причина, есть следствие. Осталось вывести закон.

Эти принципы вдребезги разбились, когда стало ясно, что пространство между телами не пустое, что сами тела совсем не материальные точки, а обладают массой, что явления бывают сложные, несводимые к одной причине и одному следствию.

25. Материя и пространство в механической картине мира

В основе материалистической теории лежит учение о первичности материального мира. В основе идеалистической теории – первичность идеи. Родоначальниками материализма были греческие философы (Гераклит, Анаксимандр, Демокрит), которые рассматривали мир как состоящий из делимых единиц материи – атомов. Атом считался конечным этапом деления, его «разобрать» было уже невозможно. Механический материализм взял из греческой философии идею о материальности мира и его делимости до предельного порога – атомов.

Материя считалась в механистическом материализме дискретной, и на первое место выступили понятия материальной точки и абсолютно твердого тела. По определению, материальная точка была математически абстрактным телом, размерами которого можно пренебречь, а абсолютно твердое тело, соответственно, системой материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным. Грубо говоря, материальное тело – это реальное тело, разделенное до предела, то есть атом, а абсолютно твердое тело – предмет, лишенный всех своих качеств и свойств.

В то же время существование идеального образца всех вещей (идеи Платона) были отвергнуты, потому что тогда пришлось бы признать наличие единого плана строительства материального мира, а это было равносильно введению в естественные науки идеи Бога. Ньютон на вопрос о наличии в механике Бога и божественного промысла ответил, что в такой идее он не нуждается. Механика объясняла устройство мира с материалистической точки зрения, идея в этом контексте была производной.

Пространство в механистическом материализме рассматривалось только как протяженность, которую можно измерить. В отличие от мира предметов, где наличие материи было очевидным, пространство считалось вместилищем пустоты, в которой могут перемещаться материальные объекты.

Пространство отличалось тем, что было лишено атомарного строения. Оно воспринималось как прозрачное «ничто». Состав воздуха не был еще известен, пространство было аналогом воздуха, лишенного движения. Оно было абсолютным, то есть математически пустым. Оно существовало вне времени и было необходимо для перемещения тел или атомов.

26. Время и движение в механической картине мира

Время и движение в механической картине мира представляют собой абсолютные понятия. Хотя Ньютон рассматривал два вида времени – относительное , которое воспринимается людьми в процессе измерения, и абсолютное – то есть математическое, которое существует независимо от внешних причин, ни на что не влияет, равномерно по своей природе и отличается только длительностью, механическая картина мира усвоила лишь абсолютное математическое время.

Если пространство считалось абсолютно пустым вместилищем для перемещающихся тел и атомов, то время было таким же пустым вместилищем происходящих событий. Движение времени шло в одну сторону – от прошлого к будущему. Для измерения времени существовал совершенный прибор – механические часы. Большего не требовалось.

Движение в механическом мире было механическим перемещением материальных точек или абсолютно твердых тел. Сложные движения в механике описывались как сумма простых перемещений из одной точки пространства в другую. Для описания этих движений применялись открытые Ньютоном законы. Механика ввела в науку понятие массы и силы, причем масса считалась для конкретного тела постоянной и выражала его инертность, а сила понималась как причина изменения механического движения и причина деформации. Любое движение согласно законам Ньютона можно было описать с точки зрения применения данной силы к некой массе. Позднее Декарт ввел понятие количества движения (произведения массы на скорость). Декарт воспринимал окружающий мир как математическую данность: материю он рассматривал как простую протяженность с геометрическими характеристиками, которая существует, поскольку существует движение. Декарту принадлежит формулировка физического понятия импульса силы и закона, который гласит, что импульс силы, равный произведению приложенной силы на время ее действия F · dt, дает постоянство количества движения m · V, то есть m · V = F · dt. В этом определении единственная, способная изменяться, величина – длительность (при неизменной массе, равномерных скорости и силе). Воспринимая материальный мир как математическую модель, Декарт разработал известную всем систему координат (X, Y, Z), которая получила его имя.

27. Понятие взаимодействий в механической картине мира

В классической механике понятие взаимодействий (современная наука разделяет слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) опиралось на известные законы механики Ньютона, и закон всемирного тяготения, оперирующий понятиями сил притяжения и отталкивания, то есть, по сути, вопрос взаимодействия классической механикой не рассматривался.

В механической картине мира он был не нужен: все виды движений можно было свести к простому изменению положения тела в пространстве. Под взаимодействиями понималось приложение сил одного тела к другому для изменения траектории движения или выведения этого тела из состояния покоя. Никакого вида движения кроме механического (поступательного) и вращательного (как движение по окружности) механика не знала, а единственное взаимодействие, которое рассматривалось глубже, было открытой Ньютоном силой гравитации. Гравитация описывалась как механическое движение, но выводилась из движения мегамира. Согласно закону всемирного тяготения, если известна масса одного из тел и сила гравитации, можно определить и массу второго тела.

Закон считался универсальным, сам Ньютон указывал, что это всеобщий закон, применимый для всех планет; на его основе он создал теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет и т. п. И первую проверку закон всемирного тяготения прошел именно на космическом уровне. В 1682 г. друг Ньютона Галлей открыл комету, впоследствии названную его именем, и предсказал ее возвращение к Земле через 76 лет; предсказание он делал, исходя из законов Кеплера, но без учета ньютоновой гравитации.

Через 76 лет комета не появилась. Расчеты решил перепроверить француз Клеро, он провел свои вычисления с учетом возмущений Сатурна и Юпитера и дал точную дату появления кометы Галлея, сделав ошибку всего на три недели. Опираясь на закон всемирного тяготения, в XIX в. ученым удалось сначала рассчитать, а затем и увидеть планету Нептун.

Гравитационное взаимодействие является взаимодействием ввиду силы притяжения между двумя любыми телами. Из гравитационного закона Ньютон вывел тождественность гравитационной массы и массы инертности. Этот принцип был назван Эйнштейном фундаментальным законом природы и положен в основу общей теории относительности.

28. Формирование термодинамической картины мира

Формирование термодинамической картины мира связано с быстрым ростом промышленного прогресса в XIX в., получившего название промышленной революции. Развитие капитализма способствовало ускоренному количественному и качественному росту технических изобретений, причем основанных на самых передовых научных идеях. Человечество открыло для себя паровой котел. Стали изобретаться и внедряться в производство все новые и новые паровые машины. Их использовали сначала стационарно (паровые двигатели для помола зерна, для суконных и других мануфактур), затем стали применять и для замены традиционного средства передвижения (животные), поставив паровую машину на рельсы. Так возникли первые паровозы. Мир начал стремительно развиваться. Наука полностью вышла из-под контроля Церкви, в обществе возникло понимание, что технические изобретения способствуют и росту благосостояния, делают жизнь удобнее и приятнее.

Наука откликнулась на новые желания общества: ученые включились в изучение теплоты, занялись теоретическими исследованиями, например, Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Карно занялся увеличением работоспособности тепловых машин, Клапейрон обратил внимание на исследование свойств газообразного вещества и вывел уравнение состояния газа, физик Клаузиус разработал принцип эквивалентности теплоты и работы, ввел понятия внутренней энергии и взаимопревращения энергии.

Эксперимент стал ведущим средством для проверки жизнеспособности новых теорий. Срок от экспериментальной проверки до технического внедрения сократился до минимального. Классическая механика для этого общества устарела. Она не отвечала духу времени. Сложные явления оказалось невозможным объяснить в позиций классической механики. К таким явлениям относились тепловая энергия и понятие фазового перехода. Не укладывающимися в теорию при изучении теплоты оказались такие факты, как наличие одинаковых следствий при разных причинах и несоответствие состояния атомов состоянию системы в целом. Новая теория получила название термодинамической, а новая картина мира – термодинамической картины мира.

29. Закон сохранения и превращения энергии в механике

В механике существовало понятие механической работы, которое определялось произведением приложенной силы на энергию, необходимую для производства работы: А = F · x. Способов передачи кинетической энергии другому телу в механике было всего два: либо приложение некой силы к другому телу, либо толчок при ударе (откуда и все рассуждения о первотолчке Бога). Если другое тело перемещалось, то полученная им кинетическая энергия растрачивалась полностью. Но в некоторых случаях такая энергия не растрачивалась (сжатие пружины, подъем тела на высоту), а накапливалась (например, как в сжатой пружине). Накопленная, но не использованная энергия называлась потенциальной.

Потенциальная энергия, по современным понятиям, накапливается в составляющих тело мельчайших частицах. Механика не занималась состоянием частиц, она ограничивалась признанием того, что потенциальной энергией обладают деформированные тела, застрявшие в процессе деформации. Величина потенциальной энергии в механике определяется величиной работы, которую данное тело может совершить, приходя в равновесное состояние с системой тел (разжавшаяся пружина, опущенный вниз груз).

Расчет был верен при соблюдении двух условий: изолированности всей системы и ее консервативности (то есть независимости от движения и зависимости от взаимного расположения или конфигурации тел).

В то же время расчет становился неверным, если работа данных сил зависела от формы пути или силы зависели от скорости движения, если в действие включались «непредусмотренные» силы, такие как сила трения (при этом часть работы рассеивается). Грубо говоря, точно рассчитать работу в механике можно было, исключив «лишние» факторы, то есть перейдя с теоретического на практический уровень, где система по определению не может быть консервативной и изолированной.

По сути, закон сохранения механической энергии работал только для определенного типа явлений, когда трением можно было пренебречь (например, при коротком времени воздействия). Массированный переход к внедрению технических изобретений из лабораторий в промышленное производство требовал прежде всего ответа на вопрос, как и куда уходит потенциальная энергия, совершая работу. Классическая механика ответить на него не могла.

30. Переход от теплородной к кинетической теории теплоты

Теплота и температура как понятия до середины XIX в. были в естествознании синонимами. Этому способствовало существование дополнительного компонента – теплорода . Под теплородом понималась особая составляющая всех материальных тел, способная изнутри нагревать эти тела. Теплород пытались выявить экспериментально, ничего не нашли, но тем не менее признали, что это тончайшая жидкость, которую тело впитывает от солнца, невидимая, невесомая и воспринимаемая органами чувств и приборами как холод или тепло. Уже само определение теплорода должно было скептически настроенных ученых насторожить. Смертельный удар по теплороду нанес ученый Румфорд.

Он решил провести опыты с трением. Теория теплорода объясняла, что при трении из объектов выжимается жидкий теплород, из-за чего изменяется их теплоемкость. Румфорд провел эксперимент по сверлению пушечного ствола и четко зафиксировал результаты: время сверления 150 минут, за счет трения совершена работа, достаточная для испарения 12 кг воды, в то же время получено 270 г металлической стружки, имеющей ту же теплоемкость, что и отливка.

Поскольку источник теплоты, происходящей от трения, был неисчерпаем, а изолированное тело или система тел не может поставлять теплород без ограничения, то полученная теплота теплородом объясняться не может. Так было доказано, что теплорода не существует. В 1827 г. Карно провел теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу, а Майер установил механический эквивалент теплоты. Опытным путем он пришел к выводу, что теплоемкости газа при постоянном давлении (Ср) и при постоянном объеме (Сv) неодинаковы (Ср > Сv). Рассматривая теплоту как «силу», то есть энергию, Майер объяснил неодинаковость теплоемкости. При вычислении теплоты по формуле dС = Ср – Сv, он сопоставил теплоту с работой А и получил механический эквивалент теплоты. Его исследования дополнил Джоуль, получивший точный результат механического эквивалента теплоты. Для этого он провел эксперимент, позволивший соотнести затраченную механическую работу с процессом нагревания жидкости: механическую работу выполняла опущенная в жидкость вращающаяся лопатка, нагревание жидкости регистрировалось термометром. В результате работ Майера, Джоуля и Гельмгольца был открыт закон сохранения энергии.

31. Переход от механики к термодинамике

Появление термодинамики как раздела физики прежде всего связано с работами Майера, Джоуля, Гельмгольца, Клаузиуса, Кельвина, Карно. Рождению термодинамики способствовали исследования Карно, ориентированные на практическое применение тепловых машин, а свое название термодинамика получила благодаря Кельвину. Значимыми в термодинамике являются обе части слова – термо , то есть теплота, не входившая как понятие в классическую физику, и динамика , движение, работа – сразу вносившая ясность, что процессы в этом разделе физики не будут рассматриваться как статичные.

Термодинамика изучает особенности превращения тепловой формы движения в другие, не учитывая микроскопического движения частиц, составляющих вещество. В термодинамике существует более мелкое деление структуры – на: термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика), и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика сформировалась к середине XIX в., а неравновесная термодинамика – ко второй половине XX в.

Параллельно с термодинамикой получила развитие молекулярно-кинетическая теория, изучающая макроскопические проявления систем как результаты суммарного действия совокупности хаотически движущихся молекул. В отличие от термодинамики, для которой очень важны точные и конкретные показатели, поскольку от этого зависит работоспособность системы, в молекулярно-кинетической теории принято пользоваться статистическим методом , который сводит все показатели к среднестатистическим величинам.

При изучении действия молекул молекулярно-кинетическая теория не учитывает особенностей движения той или иной молекулы, важна лишь средняя величина, позволяющая выявить характеристики движения массы частиц. По названию метода исследования молекулярно-кинетическая теория получила название статистической физики. Иными словами, механическая физика в XIX в. распалась на два направления: термодинамика и молекулярно-кинетическая теория. Законы, которыми оперировала классическая физика, были пересмотрены и уточнены.

32. Первый закон термодинамики

Впервые идею о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию (U) высказал ученый Клаузиус, и именно эта его мысль легла в основу первого закона (начала) термодинамики. Сам Клаузиус называл эту энергию теплом, содержащимся в теле, в отличие от тепла, сообщенного телу (Q). Экспериментальным путем было установлено, что эту внутреннюю энергию можно увеличить двумя способами: либо совершив над телом механическую работу (А), либо нагрев или охладив само тело, то есть передав ему количество теплоты (Q). Следовательно, формула внутренней энергии определяется следующим равенством: dU = Q – A.

Разбирая динамику газов, Кельвин вывел определение, что количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы, то есть Q = dU + A, а для бесконечно малых изменений dQ = dU + dA. В физике первое начало термодинамики получило название закона сохранения энергии . Согласно этому закону была навсегда похоронена популярная в XIX в. идея создания вечного двигателя, поскольку если все передаваемое тепло (энергия) идет на совершение внешней работы, а в свою очередь Q = 0 (ничего не передается), то и А = 0 (работа не выполняется), иными словами без источника питания совершение работы невозможно.

В своих исследованиях Майер выявил 25 случаев превращения работы в тепло: механическая работа, электричество, химическая «сила» вещества, теплота, электричество и т. д. Распространив закон сохранения энергии и на биологические системы, к превращению энергии в живых организмах он отнес поглощение пищи, химические процессы в организме, тепловые и механические эффекты. Закон сохранения энергии был применен Гессом для объяснения химических реакций, а в результате деятельности Фарадея, Ленца и Джоуля был сформулирован так называемый закон Джоуля – Ленца о связи электрической и тепловой энергии, выражающийся формулой: Q = I2 · R · t.

Благодаря постоянной полувековой работе по изучению термодинамики был определен ее ведущий принцип , который коротко можно сформулировать следующим образом: энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, ее количество в природе постоянно и может только перераспределяться и превращаться из одного вида в другой.

33. Второй закон термодинамики

Первичная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Фурье и выглядит следующим образом: количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.

Явление переноса теплоты получило название теплопроводности . Характерной особенностью теплопроводности является равномерное распределение тепла по всему объекту, передача тепла из нагретых областей до тех пор, пока система не придет в равновесие. Процесс передачи тепла зависит от времени и необратим (то есть идет в одну сторону и не может быть повернут вспять). Необратимость теплопроводности экспериментальным путем установил Карно, описав действие паровой машины.

В физику открытые Карно закономерности вошли под названием идеального цикла Карно . Ученый, рассматривая работу паровой машины, заметил, что горячий пар после выхода из поршня оказывается в воздухе с меньшей температурой, превращается в конденсат и далее выводится из цикла. Ему показалось расточительным такое использование пара, и Карно решил создать паровую машину полного цикла, когда пар не выводится из обращения, а вновь поступает в котел, нагревается, приводит в движение поршень и т. д. Но для реализации идеи оказалось необходимым выполнить два условия: иметь возможность нагреть пар и иметь возможность достаточно его охладить. Процесс нагрева получил название изотермического , процесс охлаждения – адиабатического .

В полном цикле два изотермических и два адиабатических процесса: нагреватель поднимает температуру газа, газ расширяется, передает тепло охладителю и газ сжимается. Теплота (Q1 – Q2) будет равна совершенной работе А.

Коэффициент полезного действия цикла Карно примет вид:

КПД = A1/Q1 = (Q1 – Q2) / Q1, или (после приведения):

КПД = (Q1 – Q2) / Q1 = 1 – Q2 / Q1 = 1 – T2 / T1 = (T1 – T2) / T1.

Это означает: процесс не зависит ни от количества используемого газа, ни от начальных значений давления или объема, а только от температуры нагревателя и температуры охладителя. Карно доказал, что создание тепловой машины без охладителя, но с КПД в 100 % в принципе невозможно.

34. Термодинамическая трактовка энтропии

Термодинамика ввела в физику понятие энтропии (в переводе с греческого – «превращение»). Под энтропией в физике понимается некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Давший ей наименование Клаузиус считал, что когда к газу подводится теплота dQ, то S возрастает на величину dS = dQ /Т. Исходя из расчетов Карно, известно, что dQ1 /Т1 + dQ2/Т2 = 0, где dQ1 – полученное тепло, а dQ2 – отданное тепло.

Появление понятия энтропии позволило разделить теплоту и температуру (до середины XIX в. разницы между ними не делали). Теплота стала мерой изменения энергии, а энтропия – показателем состояния системы. Энтропия определяет изменение системы между началом процесса и конечным результатом, то есть является функцией состояния системы и не связана с характером происходящего процесса.

Для обратимых процессов в изолированной системе энтропия является постоянной величиной, для необратимых процессов характерна неравномерность температуры в разных стадиях процесса, поэтому тепло будет распространяться от горячих участков

к более холодным, а это приведет к возрастанию энтропии dS > 0. Введение понятия энтропии позволило определить направление природных процессов и доказало, что эти процессы как происходящие в изолированной системе могут идти только в одном направлении – то есть возможна передача тепла лишь от горячих тел к более холодным. Исходя из такого понимания энтропии, существует несколько формулировок второго начала термодинамики:

1. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому.

2. КПД любой тепловой машины всегда <100 %.

3. Энтропия изолированной системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна. При протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает.

После открытия энтропии и вывода соответствующих формул стало абсолютно ясно, что невозможно построить паровую машину со стопроцентным КПД, если она работает за счет одного нагревателя, а не за счет перепада теплоты (то есть при использовании нагревателя и охладителя), на этом надежды построить вечный тепловой двигатель рухнули.

35. Вероятностная трактовка энтропии

Выведение принципа энтропии изолированной системы (энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна, при протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает) привлекло внимание ученых к процессам, происходящим на микро– и макроуровнях. Оказалось, что суть процессов зависит от того, в какой системе мы их рассматриваем.

Исходя из особенностей нашего восприятия, к процессам микроуровня относятся те, которые происходят на молекулярном уровне, к процессам макроуровня относятся процессы в телах, соразмерных человеку. Соответственно, макросостояние определяется макропараметрами (давление, температура, объем и т. п.), которые измеряются макроприборами. Микросостояние касается состояния молекул, входящих в состав макротела. Термодинамика занимается процессами на макроуровне, то есть макросостоянием системы.

Молекулярно-кинетическая теория занимается процессами, происходящими в макротелах на микроуровне, то есть микросостояниями макротел. Выявив в макромире понятие энтропии, ученые обратились с макроуровня на микроуровень, чтобы понять, распространяются ли законы макромира на микромир.

В результате экспериментов Больцмана с мечеными молекулами в разделенном на две половины сосуде было выяснено, что вероятность нахождения N меченых молекул в одной половине сосуда определяется согласно формуле как W = (1/2) · N, вероятность же нахождения N меченых молекул во всем сосуде, естественно, равна 1.

Для вероятности определенного состояния системы статистическая физика ввела понятие статистического веса , то есть числа способов, которыми данное состояние может быть реализовано. Для микросистемы характерно стремление перехода из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью, от изолированной структуры – к полной равновесности. При наличии в системе двух подсистем W1 и W2статистический вес всей системы примет значение W = W1· W2, а общая энтропия – значение суммы энтропий подсистем S = S1 + S2.

Выразив статистический вес системы через логарифм, Больцман вывел формулу: LnW = S1 + S2, которую усовершенствовал Планк: S = k · LnW, где k – коэффициент пропорциональности, или так называемая постоянная Больцмана.

36. Теория вероятности для больших систем

Исследования Больцмана положили начало работам с так называемыми большими системами, то есть системами микроуровня, которые настолько малы и присутствуют в таком количестве, что не могут быть полностью сосчитаны и учтены. В микромире невозможно также вести наблюдение за одной избранной молекулой (а позже – частицей), поскольку невозможно отличить одну молекулу или частицу от другой. Максвелл, пытаясь определить параметры, позволяющие как-то классифицировать молекулы, нашел два: распределение молекул по скоростям и энергии. Он же для описания случайного поведения молекул газа ввел понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и сформулировал закон распределения молекул по скоростям. Больцман доказал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения частиц в больших системах.

Если в классической механике, принимая частицу за математическую точку, возможно было рассчитать ее поведение для прошлого, настоящего и будущего, то в больших системах законы классической механики оказывались неприложимыми. В термодинамике и статистической физике на место классических законов динамики встали статистические законы, которые неспособны дать точное описание состояния определенной частицы, а могут описать предположительное состояние одной из возможных частиц; точность в таких системах заменяется вероятностью. В классической физике вероятность подразумевает неточность, воспринимается как ошибка или недостаток, результат всегда определенный и может быть сосчитан.

В статистической физике результат предположителен и для отдельной частицы представляет ряд возможностей. Процессы в термодинамических системах необратимы и вероятностны, поэтому они не могут быть полностью управляемыми.

Главным отличием законов макро– и микромира является, по мнению Максвелла, то, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. То есть законы термодинамики неприменимы для классической физики. В то же время законы статистической физики и теории вероятности оказались приложимыми к биологическим системам как одной из разновидностей больших систем: ученые ввели понятие случайности для описания передачи признаков при естественном отборе, спонтанных мутациях и т. д.

37. Теория расширения Вселенной

Во времена Ньютона считалось, что Вселенная представляет собой огромный шар, и внутри этого объема равномерно размещены звезды. Выводя свой закон гравитации и говоря о силах притяжения и отталкивания, Ньютон имел в виду именно такое устройство Вселенной. Ньютон считал, что: 1) действующие между звездами силы притяжения должны в конце концов стянуть звезды к центру шара; 2) шар сожмется в математическую точку и наступит гравитационный коллапс; 3) этого не происходит; 4) Вселенная бесконечна; 5) действие сил гравитации одинаково в любом направлении; 6) схлопывания не происходит.

Но и для классической механики равновесие такой системы считалось неустойчивым. Согласно наблюдательной астрономии Вселенная однородна и изотропна. Согласно расчетам она либо не бесконечна, либо изменяется со временем. Изменение со временем в сторону расширения было установлено Хабблом.

Теория расширения Вселенной связана с: а) исследованиями Больцмана и выведенным им законом необратимости энтропии для больших систем; б) исследованиями спектрального анализа, который показал увеличивающееся расхождение между линиями красного спектра излучения звезд, то есть центробежное движение космических объектов. Космос по определению является мегамиром, то есть совокупностью огромных объектов, и поскольку количество объектов бесконечно велико, относится к большим системам.

В этих системах должны работать законы термодинамики и, в частности, H-формула Больцмана: W = (1/2) · N и его формула энтропии: S = k · LnW. Теория расширения Вселенной предполагает, что есть некий центр, где прежде помещалось сжатое до предела вещество огромной массы, которое при каких-то условиях утратило равновесность и стало расширяться, пока не расширилось до состояния относительного равновесия, образовав весь видимый космос. Наличие увеличения расхождения линий красного спектра показывает, что процесс не закончен, равновесие не достигнуто, и именно поэтому галактики удаляются друг от друга, а не сближаются друг с другом.

Но существует и другое мнение: если бы происходило расширение космического пространства, кроме расхождения галактик должен был бы наблюдаться эффект расширения всех тел в галактике, то есть увеличение размеров космических объектов, включая и нашу планету. Но такого расширения ученые не отметили.

38. Понятие «стрелы времени»

Первые определения времени относятся к субъективному восприятию. Время в физике определялось следующим образом: время есть порядок смены физических состояний материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека. Позднее был принят такой постулат: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Ньютон оперировал двумя разновидностями времени – относительным , то есть рассматриваемым как длительность, вмещающая определенные события для определенного наблюдателя, и математическим , рассматриваемым как абсолютное, равномерное, не зависящее от физических процессов. По Ньютону, время бесконечно и имеет одно измерение.

Согласно механике достаточно задать направление движения, то есть начальные координаты, чтобы рассчитать результаты для любого действия в прошлом, настоящем и будущем, поэтому в механике возможно использовать время со знаком «минус» и получить результат. Исследуя большие системы термодинамики, Больцман вывел закон, по которому время необратимо, поскольку необратим процесс нарастания энтропии, а нарастание энтропии показывает движение

системы к хаосу, система уходит безвозвратно от начальных условий и не сможет к ним вернуться ни при каких условиях: согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении – в сторону повышения энтропии и возрастания хаоса. Необратимость времени, то есть его движение только в одну сторону, от прошлого к будущему, получило название стрелы времени . Материалистически «стрела времени» (и невозможность повернуть время вспять) обосновывалась тем, что протекающие в системах процессы деформируют или разрушают вещество, запуская термодинамические процессы, и поскольку эти процессы могут происходить только в одном направлении, то и время может двигаться тоже только в одном направлении. «Стрела времени» связана также с понятием термодинамической шкалы времени, подразумевающей существование трех вариантов временной шкалы: 1) для космологии (расширение Вселенной); 2) для психологии (субъективное движение по «стреле времени» от прошлого к будущему); 3) для термодинамики как таковой (нарастание энтропии), которые совпадают по направлению.

39. Теория тепловой смерти Вселенной

Принципы необратимости и нарастания энтропии были положены в теорию тепловой смерти Вселенной, которую разработал Клаузиус. Он распространил на Вселенную статистический способ исследований больших систем. Поскольку Вселенная является системой с неисчислимым количеством космических объектов, она автоматически подпадает под правила для больших систем. В таких системах, как известно, по второму закону термодинамики все происходящие физические процессы идут в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Если закон верен для большой системы под названием Вселенная, то можно предположить, что и в ней происходит очень медленный, но необратимый процесс выравнивания температуры, который завершится, когда данная большая система войдет в равновесное состояние.

Для Вселенной это означает, что когда-нибудь все объекты в ней, то есть все космические тела достигнут одинаковой температуры, а вся мировая энергия превратится в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. То есть большая система «Вселенная» войдет в равновесное состояние с максимальной энтропией и в ней прекратятся все физические процессы. Теория недаром получила название теории тепловой смерти Вселенной.

Вывод из теории Клаузиус сделал следующий: 1) энергия мира постоянна; 2) энтропия мира стремится к максимуму.

Свои построения он построил на двух предположениях: 1) Вселенная представляет собой замкнутую систему (то есть она конечна); 2) эволюция системы может быть описана как смена ее состояний.

В наше время теория тепловой смерти Вселенной считается устаревшей, поскольку, по современным воззрениям, Вселенная бесконечна и не может считаться изолированной, а состояние с максимальной энтропией имеет смысл только для конечных систем. Но в то же время все существующие теории исходят из положения, что было некое начало Вселенной, а поскольку существовало начало движения, то существует и его конец, то есть гибель Вселенной или переход ее в новое качество (циклические теории) неизбежны.

40. Теория флуктуаций

Больцман, посвятивший много времени исследованиям больших систем, пытался рассмотреть будущее развитие Вселенной, исходя из теории эволюции Чарльза Дарвина. Больцман был большим поклонником учения Дарвина и взял из дарвиновской теории понятия эволюции и флуктуации. Флуктуацией физической величины называется отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. В физике флуктуация является фактором нестабильности системы; наличие в ней необратимости процессов разрушает порядок и несет хаос. Флуктуации в термодинамических системах ведут к нарастанию энтропии, расшатывают систему, делают ее неустойчивой, любое незначительное воздействие может привести систему к саморазрушению.

Флуктуации в биологии имели иной смысл. Дарвиновская теория придавала флуктуациям большое значение, поскольку сама эволюция является движением от случайных флуктуаций видов к возрастанию сложности их организации, упорядочиванию, улучшению. Больцман рассматривал Вселенную не только как большую замкнутую изолированную систему, но и как самоорганизующуюся систему, в которой флуктуации не имеют значения, приводящего к хаосу.

Говоря о Вселенной, Больцман подразумевал только ее видимую часть, то есть незначительную область космического пространства. Для этой видимой части он считал допустимыми такие флуктуации, которые выводят систему из состояния равновесия, тем самым предотвращая ее неотвратимое эволюционное движение к хаосу и обещанной Клаузиусом тепловой смерти. Больцман пытался теоретически обосновать возможность такого развития Вселенной, при котором флуктуации могли воздействовать на развитие не как фактор, ведущий к уничтожению, а как фактор, отводящий с пути самоуничтожения.

Для самоорганизующихся систем характерны три этапа развития: равновесие, саморазрушение, новая организация системы. На уровне пути к саморазрушению существует граница, где есть возможность выбора наилучшего пути. Флуктуации Больцмана были теми самыми отклонениями от движения к хаосу и гибели, которые переводили систему в более безопасный режим.

Дальнейшее развитие теория флуктуаций получила в работах Эйнштейна, Смолуховского и легла в основу современной синергетики.

41. Основные законы электромагнетизма

Электромагнитная картина мира начала формироваться в XVIII в. До этого времени человечеству были известны простейшие электрические и магнитные явления: притяжение и отталкивание электрических зарядов (опыты с янтарем в Древней Греции), свойство магнита располагаться в направлении силовых линий магнитного поля Земли, теоретическое предположение Гилберта о том, что Земля является большим магнитом. В XVIII в. было установлено, что одноименные электрические заряды отталкиваются, ученые изобрели электроскоп, Франклин, Ломоносов и Рихман доказали электрическую природу молний и изобрели молниеотвод (громоотвод), а Симмер предположил, что в любом теле содержится равное количество разноименных электрических зарядов, которые перераспределяются при электризации.

К началу XX в. было известно, что сам электрический заряд состоит из множества более мелких зарядов, и открыта первая элементарная частица – отрицательно заряженный электрон. На протяжении XVIII–XIX вв. в ходе экспериментов были открыты основные законы электромагнитных явлений:

– закон сохранения электрического заряда (в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, а величина заряда не зависит от его скорости);

– закон Кулона и законы Ома (о зависимости силы тока и сопротивления проводника в зависимости от его сечения);

– закон Джоуля – Ленца (о количестве тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за определенное время);

– закон электромагнитной индукции Фарадея (изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электромагнитной индукции).

В физике на основе исследований Фарадея было введено понятие электростатического поля, открытия Эрстеда доказали связь электричества и магнетизма и выявили особенность устройства магнитного поля – его вихревую природу. В 1820 г. благодаря Амперу в физике появился новый раздел – электродинамика . Примерно в это же время Фарадей высказал идею существования электромагнитных волн и отнес свет к электромагнитным явлениям. В 1865 г. физик Максвелл создал теорию электромагнитного поля.

42. Теория электромагнитного поля Максвелла

Фарадей открыл электромагнитное поле, доказал его существование опытным путем, но он не был математиком и не мог привести для открытого им явления математического обоснования. Эту работу выполнил физик и математик Максвелл. Он привел блестящие идеи Фарадея в ясный и четкий математический вид и в своих трудах детально разработал теорию электромагнитного поля. Сутью теории Максвелла была система из четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла . Каждое уравнение соответствовало одному из четырех утверждений:

1. Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона.

2. 2. Магнитные заряды не существуют.

2. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток.

3. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Приведенные Максвеллом уравнения доказывали существование электромагнитного поля, объясняли, как формируется электрическое поле на основе вихревого магнитного поля и как электрическое поле, в свою очередь, создает и поддерживает магнитное поле; в силу перехода поле, описанное Максвеллом, было электромагнитным, система мироустройства – электродинамической, а рождающаяся на основе новых открытий и обоснованной теории Максвелла картина мира – электромагнитной картиной мира. На основе своих уравнений Максвелл пришел к мысли о существовании электромагнитных волн, скорость которых должна быть равна скорости света. Вслед за Фарадеем он отнес свет к электромагнитным волнам. К характеристикам электромагнитной волны он отнес ее способность оказывать давление на поставленную перед волной преграду, что позже позволило опытным путем доказать существование этой характеристики. Максвелл предположил, что атом, который физика считала неделимым, состоит из множества элементарных частиц (позже был открыт электрон). Теорию Максвелла принято называть началом конца классической физики. Следом за теорией Максвелла появились электронная теория Лоренца и знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна.

43. Электронная теория Лоренца

Обоснование Максвелла касалось в основном электромагнитных явлений – Максвелла интересовали сами явления, а не среда, в которой они происходят. Хотя Максвелл высказал предположение о делимости атома на еще более мелкие части, сам структурой материи он не занимался. Физик Лоренц считал это большим упущением, он понимал, что для полноты теории Максвелла к ней необходимо присовокупить дополнения, описывающие микромир. Исследования Лоренца были направлены на изучение структуры вещества, разложении его на мельчайшие составляющие. Лоренц первым высказал предположение о существовании крайне малых электрически заряженных частиц – электронов – которые имеются в любом материальном теле.

Свою точку зрения на структуру вещества Лоренц обнародовал в 1865 г. В своей электронной теории Лоренц использовал теорию Максвелла и общепринятые положения о дискретности электрических зарядов, то есть их атомарную составляющую. Теория Лоренца, не имевшая прежде экспериментального подтверждения, блестяще подтвердилась в 1897 г., когда был обнаружен электрон. На общих основаниях электронной теории Лоренц совместно с физиком Друде создал также электронную теорию металлов , основными положениями которой являются следующие:

1. Свободные электроны (электроны проводимости) образуют в металлах электронный газ.

2. Основой структуры металла является кристаллическая решетка, в узлах которой расположены ионы.

3. В электрическом поле действие сил поля превращает беспорядочное движение электронов в упорядоченное.

4. Электрическое сопротивление объясняется тем, что при движении электроны сталкиваются с ионами решетки.

Новая теория хорошо объясняла и давала количественные описания для многих явлений, но некоторые (например, зависимость сопротивления металлов от температуры, нестабильная величина отношения заряда к его массе и т. п.) объяснить не могла. В первые десятилетия XX в. новые открытия подтвердили, что законы классической механики и законы идеальных газов не работают для сверхмалых элементарных частиц, в том числе и для электронов.

44. Относительные и абсолютные системы отсчета

К началу XX в. остро встал вопрос о системах отсчета, избираемых для проведения вычислений и объяснения экспериментальных данных, получивших название инерциальных систем . Галилей разделил частные характеристики объектов на инвариантные (неизменные) и вариантные (изменяющиеся). К инвариантным (то есть остающимся постоянными в любой системе отсчета) он отнес время, массу, ускорение, силу. К вариантным (то есть изменяющимся при переходе из одной системы отсчета в другую) он отнес координаты, скорость, импульс, кинетическую энергию. Свои выводы он обосновал системой преобразований и закрепил в сформулированном им механическом принципе относительности, или принципе относительности Галилея . Этот принцип был основательно поколеблен при изучении поведения молекул в больших системах.

Но еще большие сомнения в его истинности возникли после исследований свойств и природы света и законов его распространения. На XIX в. приходится открытие физического вакуума. Исследуя скорость распространения света в вакууме, выявили, что эта скорость является постоянной (с ≈ 3 · 108 м/с) и во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения остается такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света.

Сразу же возникли сомнения в: 1) чистоте экспериментов; 2) применимости законов классической механики и, в частности, принципа относительности Галилея к явлениям электромагнитной природы; 3) определении верной системы отсчета. Возник вопрос и о среде, в которой распространяется свет. Считалось, что такой средой является эфир. Возникли идеи, что эфир является абсолютной средой, идеальной средой для распространения света. Выдвигалось множество теорий по поводу эфира, проводились разного рода эксперименты, которые ничего не объяснили и ничего не доказали. Кроме одного: классическая механика объяснить эксперименты со светом по принципу относительности Галилея не может. Но поскольку этот принцип работает для макромира, то для мира элементарных частиц или космического пространства требуется, скорее всего, другой принцип.

45. Специальная теория относительности

В 1905 г. Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Новая теория пространства и времени опиралась на экспериментальные данные и была разработана для объяснения противоречий, которые не могли быть разрешены в рамках классической механики. В основу специальной теории относительности легли два принципа Эйнштейна:

1.  Принцип относительности, который распространил действие принципа относительности Галилея на любые физические явления и формулировался следующим образом: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Принцип относительности Эйнштейна указывал, что ни один эксперимент внутри конкретной системы отсчета не сможет доказать, в каком состоянии находится сама система отсчета – покоится или движется равномерно и прямолинейно, и поэтому все системы отсчета равноправны, физические законы в них инвариантны, а математическое выражение законов имеет одинаковую форму.

2.  Принцип постоянства скорости света, который гласит, что скорость света в вакууме постоянна, не зависит от движения источника и приемника света, одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн доказал, что скорость света в вакууме является предельной скоростью, возможной в природе, и объявил ее важнейшей физической постоянной, мировой константой. С этим постулатом Эйнштейна согласились не все, и до сих пор существуют попытки опровергнуть его истинность.

Эйнштейн уточнил и видоизменил математическое выражение законов Ньютона, и на основе его вычислений и теории была создана новая, релятивистская механика, базирующаяся на принципе относительности Эйнштейна.

Следствиями новой теории были такие выводы:

– при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;

– ни одно физическое тело и ни одна частица не могут двигаться со скоростью большей скорости света;

– время в движущейся системе отсчета замедляется относительно неподвижной системы;

– масса и энергия взаимосвязаны и вычисляются по формуле: E=m · c2.

46. Общая теория относительности

Общая теория относительности была опубликована в 1916 г. Она распространила принципы специальной теории относительности на неинерциальные (ускоренные) системы. Эйнштейн указал, что все системы отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов, и определил отличия между системами: инерциальная система движется равномерно и прямолинейно, неинерциальная система движется с ускорением. В рамках общей теории относительности он разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля и особых частиц гравитации, которые назвал гравитонами.

Улучшенная теория базировалась на следующих принципах:

1) принцип относительности распространяется на все движущиеся системы;

2) применение принципа постоянства скорости света ограничено областями, где гравитационными силами можно пренебречь.

Эйнштейн отказался от применения принципа дальнодействия (то есть мгновенного взаимодействия между объектами) и высказал принцип близкодействия (взаимодействия между объектами на уровне частиц).

Общая теория относительности дала два основных вывода:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

Из этих выводов естественно вытекает, что:

1) время замедляется или ускоряется в зависимости от того, в какой системе находится наблюдатель – в движущейся или покоящейся;

2) в сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума, и чем больше масса, тем сильнее будет искривление пространства. Это положение Эйнштейна легло в основу создания новых научных космологических теорий;

3) из-за поля тяготения линии солнечного спектра будут смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников (что было доказано экспериментально при изучении спектральных данных Солнца).

47. Понятие электромагнитной картины мира

Электромагнитная теория базируется на естественнонаучном материализме и принципах теории электромагнитного поля:

1) материя континуальна (непрерывна);

2) электромагнитное поле материально;

3) материя и движение связаны неразрывно;

4) пространство, время и движущаяся материя связаны между собой.

В электромагнитной картине мира материя существует в двух видах – как вещество и как поле. Это две формы существования материи – они не могут переходить одна в другую и строго разделены. Основополагающим является поле, имеющее континуальные характеристики, а не вещество с его дискретностью.

В годы создания электромагнитной картины мира пространство представлялось как пустое, но заполненное эфиром (о свойствах и качествах которого не было единого мнения). После появления специальной теории относительности от идеи эфира отказались. Пространство стало пониматься как единое со временем и образующее единый четырехмерный мир; свойства пространственно-временного континуума зависят от распределения и движения материи. Человек воспринимает пространство и время как проекции, то есть отдельно друг от друга. Электромагнитная картина мира ввела понятие мировой точки, то есть события с некой частицей, которая из одной точки четырехмерного пространства-времени перемещается в другую по траектории, которую называют мировой линией.

В основе электромагнитной картины мира лежит рассмотрение двух видов взаимодействий близкого порядка – гравитационного и электромагнитного, которые относятся к полевому взаимодействию. Эйнштейн пытался свести эти взаимодействия к единому, объединив гравитационное и электромагнитные поля, и создать единую теорию поля, но не успел. Единой теории поля не существует и сегодня.

Основополагающими являются принципы: относительности Эйнштейна, близкодействия, постоянства и предельной скорости света, эквивалентности инертной и гравитационной масс, причинности, взаимосвязи массы и энергии.

Но электромагнитная картина мира не могла объяснить некоторых явлений (соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела и т. п.), и на смену ей пришла квантово-полевая картина мира .

48. Формирование квантовой физики

В основе квантовой физики лежат идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме. Квантованными называются физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, а выражение таких величин через квантовые числа называется квантованием . Идея квантования относится к концу XIX – началу XX вв. и связана с рядом открытий в физике и получением ряда экспериментальных данных. Большое значение для появления и развития квантовой физики имело открытие электрона, который обладал сверхмалым отрицательным зарядом. Для выражения заряда электрона пришлось применить способ, названный квантованием. Математическое выражение силы заряда через квантование для электрона выглядит как q = ±n · e.

Толчком для развития квантовых представлений о мире явились и противоречия в существующей электромагнитной теории, которые привели к испугавшим научный мир расчетам и разговорам об ультрафиолетовой катастрофе. Суть сводилась к тому, что рассчитанная энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, а такого не могло быть, исходя из закона сохранения энергии, и говорило неверной теории либо близкой космической катастрофе.

Планк предложил новую теорию, предполагавшую, что электромагнитное излучение испускается отдельными порциями (квантами), величина которых пропорциональна частоте излучения, поэтому энергия может принимать лишь дискретные значения, равные целому числу квантов энергии. В рамках этой теории закон сохранения энергии соблюдался, а сама гипотеза Планка легла в основу квантовой физики.

Экспериментально квантовую теорию подтверждало явление фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под действием света), для которого были выявлены следующие закономерности: независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света и зависимость от частоты световой волны; наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект возможен («красной» границы фотоэффекта). Объяснить их электромагнитной теорией было невозможно. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток световых частиц – квантов, которые позже были названы фотонами. Таким образом, в основе света лежит как волновая, так и корпускулярная природа.

49. Корпускулярно-волновая теория

Свет был таким природным явлением, которое на протяжении всего развития науки труднее всего поддавалось объяснению. Ньютон объяснял свет существованием множества корпускул, Гук и Гюйгенс – как механическую волну, Максвелл – как электромагнитную волну. Открытие фотоэффекта заставило снова вернуться к корпускулярной теории. И наконец, сформировалась корпускулярно-волновая теория света, признавшая наличие и тех и других качеств.

Эксперименты доказали, что свет имеет дуальную природу, и распределение волновых или корпускулярных свойств зависит от длины волны: чем она меньше, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света: E = h · ν. Физик де Бройль в 1924 г. высказал идею, что аналогичными дуальными свойствами обладает не только свет, но и другие элементарные частицы: в одних условиях они ведут себя как корпускулы, в других – как волны. Если частица ведет себя как волна, она не проявляет корпускулярных свойств, если она ведет себя как корпускула, она не проявляет волновых качеств, то есть в конкретный момент она является либо корпускулой, либо волной, и никогда вместе.

В 1927 г. Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, который гласит, что, как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий, то есть квантово-механические явления должны описываться при помощи двух взаимоисключающих (дополнительных) наборов классических понятий, и только их совокупность может дать полную информацию о рассматриваемых явлениях как о целостных.

Такие явления не ограничиваются квантовой физикой. Принцип дополнительности применяется в биологии, психологии, социальных науках и т. п., то есть тогда, когда рассматриваемое явление или система достаточно сложно и противоречиво, вследствие чего не может быть описано с точки зрения одного выделенного основополагающего качества.

По современным понятиям, квант не является в полном смысле ни корпускулой, ни волной, он соединяет свойства частиц и свойства волн, образуя некий третий объект, который в силу узости нашего сознания не может быть воспринят и описан в едином понятии.

50. Принцип неопределенностей Гейзенберга

Принципы классической физики оказались неприменимы для мира сверхмалых частиц. В классической механике движение частиц описывается по существующим правилам: у частицы существуют конкретная траектория движения, конкретные координаты в пространстве, неизменная масса и энергия. Поведение частицы в микромире этим правилам не подчиняется. Микрочастица в силу волновых свойств не имеет ни траектории, ни координат, ни импульса, которые можно точно рассчитать: чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс. О поведении микрочастицы можно говорить только приблизительно. Гейзенберг вывел неравенства, описывающие соотношения этих неопределенностей.

где x – это неопределенность, или неточность, нахождения координаты импульса; px – неопределенность, или неточность, нахождения самого импульса. В случае если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. В случае если это произведение много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой. В то же время ни для какого движения в природе это произведение не может быть меньше постоянной Планка: h

Принцип неопределенности не связан с несовершенством используемых для наблюдения приборов, он связан с самими особенностями поведения частиц в микромире. Неопределенности порождаются законами микромира, а не проблемами у внешнего наблюдателя. Причем принцип неопределенностей распространяется только на частицы микромира, но не на малые материальные объекты макромира.

Существует закономерность: чем крупнее изучаемая частица, чем ближе она подходит к порогу макромира или его переходит, тем вернее можно сказать, что для нее работают законы классической физики, а не законы микромира. Для макроскопических тел можно применять одновременно понятия координат и скорости.

Постоянную Планка для таких объектов в расчетах не учитывают. Принцип неопределенностей показывает, что классическая механика является частным случаем квантовой и релятивистской механики.

51. Понятия и принципы квантовой картины мира

Квантово-полевая картина мира ввела в обращение корпускулярно-волновые представления о материи и новую методологию познания и понимания физической реальности. Огромное значение в квантовой физике придается не только частицам, за которыми ведется наблюдение в ходе эксперимента, но и самому наблюдателю, организации процесса эксперимента. До XX в. никакого значения этому не придавалось, наблюдатель находился вне эксперимента, он лишь регистрировал изменения, происходящие с объектами эксперимента. В квантовой механике наблюдатель играет такую же роль, что и частицы, за которыми он наблюдает.

Квантовая картина мира рассматривает материальный мир, но объекты рассмотрения представляют собой не тела макромира, а элементарные частицы микромира, где они проявляют как корпускулярные, так и волновые свойства.

Пространство-время в квантовой картине мира является единым понятием и определяет особенности поведения сверхмалых частиц. В четырехмерном пространстве-времени для частиц невозможно определить точных координат, а также точно измерить их импульс, поэтому к микромиру применяются законы вероятности, более того, частицы могут одновременно существовать и не существовать. Пространственно-временной интервал в квантовой физике инвариантен при переходе из одной инерциальной системы в другую.

В квантовой картине мира пространственно-временные и энергетически импульсные понятия не могут использоваться независимо друг от друга, они дополняют друг друга, то есть пространство, время и причинность существуют комплексно, но параметры существования каждой частицы не могут быть точно определены, для частиц в квантовом мире существуют статистические законы, которые рассматривают поведение частицы как поведение совокупности частиц.

Движение частиц описывается волновыми функциями, которые базируются на уравнении Шредингера , позволяющем применить законы вероятности к максимально возможному числу траекторий частицы. Для определения вероятности каждого случая проводится дополнительная операция (редукция, коллапс) волнового пакета, связанная с проведением измерений.

Квантовая картина мира включает четыре типа взаимосвязи на уровне частиц: сильное (ядерное), слабое (распад частиц), электромагнитное, гравитационное.

52. Структурные уровни материи

Структурно материальный мир разделяется на три уровня – микромир, макромир, мегамир.

Микромир составляют мельчайшие объекты – элементарные частицы, атомы, молекулы. Основные наблюдения ведутся над элементарными частицами, среди которых появляются новые и новые. Первым был открыт отрицательно заряженный электрон, затем – положительно заряженный позитрон, нейтральный к взаимодействиям нейтрон и т. п. Некоторые частицы были теоретически предсказаны и только потом открыты. В микромире в силу его корпускулярно-волнового характера действуют законы квантовой физики.

Макромир является привычным для человека окружающим миром. В нем заключены объекты, равновеликие человеку. Мельчайшие объекты макромира – гиганты микромира, это крупные молекулы и соединения молекул, вещества (во всех агрегатных состояниях), живые существа (начиная с живой клетки и завершая венцом творения – человеком), а также природные формирования и продукты жизнедеятельности человека. С развитием космонавтики макромир не ограничивается Землей, но включает материальный мир планет, хотя сами планеты относятся к другому уровню организации материи. В макромире действуют законы классической механики, которая является частным случаем квантовой механики. Макромир изучается помимо физики всей совокупностью естественных наук (биология, геология, география и т. п.).

Мегамир составляют объекты, многократно превосходящие человека по величине. Для мегамира макромир находится на том же уровне, что микромир для макромира. Объекты мегамира включают в себя планеты, звезды, галактики и их скопления, расположенные в безвоздушном космическом пространстве. В силу искривленности пространства законы макромира в мегамире не работают. Мегамир подчиняется теории относительности и постулатам релятивистской механики.

Границ, точно определяющих принадлежность объектов к одному из трех уровней, не существует. Обычно для этого оперируют средним размером и массой. Большого значения деление на мега-, макро и микромир тоже не имеет, но это удобно с точки зрения понимания, какие из существующих физических законов можно применить.

53. Типы элементарных частиц

Элементарными частицами называются мельчайшие частицы: 1) входящие в состав атома; 2) получаемые его дроблением с помощью ускорителей частиц; 3) образованные в результате прохождения через атмосферу космических лучей и существующие миллионные доли секунды, порождая при распаде другие частицы или энергию.

Самыми известными элементарными частицами являются: электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. Существует ряд частиц, способных превращаться в другие частицы. Одними из наиболее элементарных являются предсказанные и затем зарегистрированные экспериментально кварки.

К элементарным частицам относятся входящие в состав атома протон и нейтрон. Для частиц, имеющих более сложную структуру, введено понятие фундаментальных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по свойствам и характеру взаимодействия на фермионы и бозоны. Друг от друга они отличаются выполняемыми функциями: фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Фермионы делятся на адроны (сильные) и лептоны (легкие). В состав адронов входят кварки. Лептоны могут: 1) иметь отрицательный электрический заряд (тогда они вращаются вокруг ядра атома); 2) быть нейтральными (тогда они обладают способностью проходить сквозь вещество без взаимодействия с ним).

Каждая частица имеет противоположную по заряду античастицу. Античастицы были предсказаны Полом Дюраком.

Бозоны включают в себя глюоны, фотоны, вионы, гравитоны, которые образуют четыре типа взаимодействия. Фотон (квант) переносит электромагнитное взаимодействие, глюон – сильные ядерные взаимодействия, вион (векторный бозон) – слабые взаимодействия, возникающие при распаде частиц, гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие, но пока он существует чисто теоретически. На сегодняшний день известно 12 фундаментальных частиц и античастиц, то есть 6 лептонов (электрон, мюон, Тау-лептон, ν e, ν µ, ντ) и 6 кварков.

Во всех видах взаимодействий элементарные частицы представляют собой единое целое. Их характеристиками являются такие: масса покоя, электрический заряд, спин, квантовые характеристики – барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т. д.

54. Строение атомного ядра

Ядром атома называют его центральную часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. В состав ядра входят протоны и нейтроны, которые обобщенно называют нуклонами. Протоны положительно заряжены, нейтроны – нейтральны. Но масса ядра не соответствует сложению масс нуклонов. Расчет числа протонов исходит из числа электронов (оно равно числу электронов), количество нейтронов определяется по формуле NP = A – Z, где А – массовое число, то есть целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).

Ядра атомов принято обозначать буквами ZXA, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с равным значением Z, но различными значениями А именуются изотопами , их существует более трехсот в устойчивой форме и более тысячи в неустойчивой. Изотопы неустойчивого типа способны к слабым взаимодействиям, то есть ядерному распаду и обладают радиоактивностью.

По типу строения модели ядро может быть оболочечным, оптическим, капельным. Оболочечное ядро характерно для легких атомов и выглядит как оболочка самого атома, а нуклоны «размазаны» по оболочке атомного ядра. Физиком Паули для нуклонов выведен такой принцип: на одной орбите не может быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Оптическое ядро характерно для средних и тяжелых ядер: ядро окружают частицы с дуальными корпускулярно-волновыми свойствами, при равенстве длины волн возникают дифракция и интерференция. Капельное строение характерно для тяжелых ядер с естественной радиоактивностью: начиная с висмута, радиоактивность имеют все элементы. Тип ядра сравнивается с каплями жидкости, плотность которой при одной температуре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул. Применительно к ядру, плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа нуклонов, имеющих волновые свойства и заряд. Ядро является устойчивым, нуклоны удерживаются ядерными силами сильного взаимодействия со следующими свойствами: 1) они короткодействующие; 2) имеют зарядовую независимость; 3) обладают свойствами насыщения; 4) ориентация спинов определяет их величину. Для разрушения ядра необходимо приложить энергию, разрушение ядер тоже сопровождается выбросом энергии.

55. Взаимодействие между молекулами и химические связи

Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Существование молекул при помощи броуновского движения доказал в XIX в. Жан Батист Перрен. Молекулы делят на простые и сложные, к простым относят молекулы, состоящие из одинаковых атомов, к сложным – из разных атомов.

В одноатомном состоянии находятся инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); имеются соединения, макромолекулы которых насчитывают тысячи атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза).

Молекулярные взаимодействия изучает химия. Молекулярные взаимодействия могут происходить в процессе соединения и превращения веществ или при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи, то есть новые конфигурации атомов, отличающиеся от исходных типов молекул. Существует два основных типа связей: ионная и ковалентная, включающая свою разновидность – водородную связь.

Ионная связь выражается в передаче одним атомом другому одного или нескольких электронов, из-за чего образуются отрицательно и положительно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь возникает при создании пары общих электронов, по одному от каждого атома, которые притягиваются атомами с одинаковой силой (связь между одинаковыми атомами), с разной силой (полярная связь, электрически несимметричная связь). Разновидность ковалентной связи – водородная связь, соединяющая между собой три атома (два атома одного элемента и водород), она является наиболее характерной для живой материи.

Химические связи принято рассматривать с точки зрения затраченной энергии: если она меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то связь считается устойчивой; если больше – молекула распадается. Энергия, необходимая для связи частиц, называется энергией ассоциации , а необходимая для разложения молекулы – энергией диссоциации . Способность молекул присоединять атомы делает состав данного вещества постоянным и связана с валентностью – свойством атомов соединяться с другими атомами. Валентность равна числу атомов водорода, которые может присоединить элемент.

56. Принцип Ле-Шателье

Химические реакции могут идти в обе стороны – тогда их называют обратимыми , в одну – тогда они называются необратимыми , а некоторые вещества никак не реагируют между собой. Возможность или невозможность осуществления реакции объясняет термодинамика: реакция возможна только при уменьшении энергии веществ: F = E – TS и увеличении энтропии. Квантовая химия изучает протекание реакций на микроуровне, выявляя не только сами молекулы, но и особенности их электронных структур. До начала XX в. считалось, что в химических реакциях участвуют только атомы и молекулы, но в 1900 г. были открыты так называемые свободные радикалы, которые являются отделившейся половиной молекулы с ионным зарядом и способны тоже вступать в реакции. Следовательно, химические реакции определяются реакционной способностью, энергетическими и энтропийными возможностями, каталитическими и кинетическими закономерностями.

Объяснение направленности химических реакций и невозможности превращения молекул при некоторых реакциях нашел Ле-Шателье. Он обратил внимание, что наряду с прямыми и обратными реакциями существует множество реакций, которые не доводятся до конца. Как только в данной системе при данных условиях устанавливается динамическое равновесие, реакция прекращается. Ле-Шателье предложил способ выведения системы из равновесия по следующему установленному им принципу (получившему название принципа Ле-Шателье): «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот; если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие».

В современной формулировке принцип Ле-Шателье звучит так: любое внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия. Сегодня этот принцип считается общим принципом стабильности, устанавливающим взаимосвязи между всеми элементами Вселенной, включая живые и социальные системы.

57. Агрегатные состояния

В макромире вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Для каждого агрегатного состояния присуще характерное тепловое движение атомов и молекул.

Газообразное состояние характеризуется тем, что расстояние между атомами и молекулами значительно больше размеров самих молекул, поэтому силы притяжения и отталкивания в газах практически отсутствуют, что и вызывает их особенности: газы легко сжимаются (отсутствие или крайняя слабость сил отталкивания), могут неограниченно расширяться, занимая весь предоставленный им объем (отсутствие или крайняя слабость сил притяжения).

В термодинамике существует понятие идеального газа , то есть газа, для которого не нужно учитывать силы взаимодействия между частицами или собственный объем частиц; реальные газы этими качествами не обладают.

Твердое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешиваются, то есть они не способны произвольно «уйти» со своего места. По типу твердые тела принято делить на аморфные и кристаллические. Атомы и молекулы в аморфных телах расположены беспорядочно, поэтому их физические свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) одинаковы во всех направлениях, в чем и заключается их изотропность. Атомы и молекулы в кристаллических телах расположены в определенном порядке, образуют так называемую кристаллическую решетку, поэтому физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, в чем и заключается их анизотропность .

Жидкое состояние вещества характеризуется тем, что молекулы жидкости некоторое время (время оседлой жизни) колеблются около положений равновесия, затем занимают новые положения равновесия и колеблются относительно них, что является причиной текучести жидкости и ее способности принимать форму сосуда, в который она помещена. Жидкости по степени подвижности молекул находятся в промежутке между твердыми телами и газами. Их молекулы достаточно подвижны, чтобы тело не могло принять определенную форму, но недостаточно подвижны, чтобы рассеяться в пространстве.

58. Понятие фазовых переходов

Понятие фазовых переходов базируется на основных положениях молекулярно-кинетической концепции:

• Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, интенсивность которого зависит от температуры (температура является показателем хаотичности системы).

• Между частицами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания, природой которых является электромагнетизм.

• В отличие от механического движения нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств.

Изменение физических свойств вещества (газ, жидкость, твердое тело) и переход его из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазой называется часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы (давление, температура, объем).

Существование фазовых переходов давно и хорошо известно. Как агрегатное состояние вещества, так и фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. Условиями существования газообразного агрегатного состояния являются высокая температура и низкое давление, условиями существования агрегатного состояния твердого тела являются низкая температура и высокое давление, промежуточные условия соответствуют агрегатному состоянию жидких тел.

Если Eкин движ>>Епотенц взаимод, это газообразное состояние вещества.

Если Eкин движ<<Епотенц взаимод, это твердое состояние вещества.
Если Eкин движ≈Епотенц взаимод, это жидкое состояние вещества.
Фазовые переходы бывают двух типов. К фа зовым переходам первого (I) рода относят такие, когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем. К фазовым переходам второго (II) рода относят изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках с резким изменением плотности вещества. К агрегатным состояниям относится также плазма . Состояние плазмы принимает ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит никакого взаимодействия молекул. В зависимости от степени ионизации газа различают: 1) слабо ионизированную (низкотемпературную) плазму; 2) умеренно ионизированную плазму; 3) сильно ионизированную (высокотемпературную) плазму. Плазма является наиболее распространенным состоянием вещества в мегамире.

59. Структурные единицы мегамира

Мегамир – это мир космических расстояний и космических масс, то есть мир, по отношению к которому человек соразмерен так же, как частица микромира к человеку. Мегамир включает в себя планеты, планетные системы, звезды, звездные системы, галактики, метагалактики.

Планетами называются несамосветящиеся небесные тела шарообразной формы, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. Планеты в основном состоят из твердого вещества, на некоторых из них есть атмосфера. Наиболее изученная человеком планетная система – Солнечная система. Планеты Солнечной системы двигаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. В Солнечную систему входит восемь планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, недавно удаленный из списка планет и причисленный к планетоидам. Земля находится от Солнца на расстоянии 150 млн км.

Звездами называются светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газопылевых облаков путем гравитационной конденсации и удаленные друг от друга на огромные расстояния. В нашей галактике около триллиона звезд, их траектории определены силой тяготения между ними. Звезды различаются по массе и светимости. Наиболее распространенные звезды – карлики, их массы в 10 раз меньше массы Солнца. Среди карликовых звезд различаются в зависимости от массы: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.

Белый карлик образуется, если его диаметр становится примерно равен диаметру Земли, а масса составляет 1,2 солнечной массы с плотностью около 10 т/см3. Нейтронные звезды образуются в результате взрыва на последней стадии эволюции и имеют массу от 1,2 до 2 солнечных масс, состоят из нейтронов и протонов. Черные дыры формируются на конечном этапе эволюции и представляют собой объекты с массой более 2 солнечных масс и диаметром от 10 до 20 км, они обладают чудовищной плотностью и гравитацией, не позволяющей испускать за пределы свет, поэтому черные дыры не имеют светимости.

Планеты образуют вокруг звезд планетные системы . Звезды образуют звездные системы (созвездия) , рассеянные звездные скопления или шаровые звездные скопления. Звездные системы и скопления образуют галактики . Наша галактика называется Млечным путем. Галактики могут быть эллиптические, спиральные и неправильной формы. Галактики образуют метагалактику .

60. Устройство Солнечной системы

Планеты Солнечной системы принято разделять на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), или малые планеты, и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Плутон недавно был выведен из числа планет и отнесен к планетоидам .

Планеты земной группы отличаются сравнительно небольшим размером, совершают медленный оборот вокруг оси, имеют наклон оси, отсутствие (Меркурий, Венера) или малое количество спутников (Земля, Марс), твердую поверхность и практически одинаковый химический состав (кремний, железо). Атмосфера присутствует у Земли и Венеры, разреженная на Марсе и практически отсутствует на Меркурии. Центр планет занимает железное ядро, планеты обладают магнитным полем (слабо выраженным только у Венеры).

Планеты-гиганты находятся на более дальнем расстоянии от Солнца, они отделены от планет земной группы поясом астероидов (малых планет числом около 5500), которые движутся вокруг Солнца по вытянутой орбите. За поясом астероидов находятся планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, отличающиеся большими размерами и массой, наименее массивная среди них Уран (только в 14,5 раз тяжелее Земли).

Планеты-гиганты имеют малую плотность, низкую плотность, быстрое обращение вокруг оси, мощную атмосферу, переходящую к центру планеты в жидкость, небольшое ядро, состоящее из водорода с металлическими свойствами, сильное магнитное поле и большое количество спутников (наименьшее число их – 8 у Нептуна) и кольца, состоящие из более мелких частиц (ярко выраженные кольца у Сатурна). Атмосфера планет-гигантов состоит из смеси разных газов (водород, гелий, метан, аммиак, водная взвесь и т. п.). За планетами-гигантами лежит еще один пояс астероидов, за ним расположен Плутон.

Центром Солнечной системы является Солнце – звезда с массой, в 332958 раза превосходящей массу Земли, и температурой на поверхности 5770 К. Вокруг Солнца обращаются планеты, астероиды и кометы, имеющие определенную траекторию движения – орбиту. Астероиды имеют неправильную форму, по составу похожи на планеты земной группы, у них нет атмосферы. Кометы стоят из смеси замерзших газов и космической пыли, они обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам.

61. Гипотеза Канта – Лапласа

Человечество всегда волновал вопрос, как возникла Солнечная система. В древности сотворение Солнца и планет приписывалось богам, в монотеистических религиях – богу-творцу. Книга Бытия рисует сотворение Солнечной системы как сотворение мира: сначала в этом мире был хаос, свет не был отделен от тьмы, затем по слову божьему в мире был установлен порядок: разделены тьма и свет, вода и земля, создано небо со звездами и планетами, земной рельеф, после чего начался процесс творения земной жизни и в том числе человека, живущего во времени и по законам времени – рождаясь, взрослея и умирая.

Научная картина мира имеет на счет образования планет Солнечной системы множество гипотез. Наиболее старая из них – гипотеза Канта – Лапласа , то есть космогонические воззрения двух ведущих ученых нового времени Канта (немецкий философ) и Лапласа (французский ученый).

Кант, основываясь на книге Бытия, предположил, что планеты возникли в результате сгущения холодного газопылевого космического облака, то есть из космического хаоса: постепенно сгущаясь, космическая туманность породила более плотные массы, которые стали отделяться от туманности и от Солнца в силу центробежных сил. Так образовались планеты. Идея Канта предполагала наличие некой божественной воли, данной силам природы, руководствуясь которой природа начала самостоятельно организовываться и развиваться.

Лаплас поддержал гипотезу Канта, но с некоторыми изменениями и дополнениями. Он считал, что космическое облако было не холодным, а раскаленным, в виде газовых колец, оторвавшихся от формирующегося древнего Солнца, которые, отодвигаясь от звезды, продолжали вращение и сгущение, в результате которого образовались планеты с их орбитами. В процессе развития сгущенные планетные массы остыли.

Эта гипотеза Канта – Лапласа известна как небулярная (от латинского слова туманность), или ротационная (от слова вращение), поскольку ведет происхождение Солнечной системы из вращения и сгущения туманности (холодной или раскаленной).

62. Гипотезы Джинса и Шмидта

В существовавшей гипотезе Канта – Лапласа имелось непримиримое противоречие с законами физики. Дело в том, что гипотеза не могла объяснить, почему расчетный момент количества движения (кинетический момент) планет почти в 30 раз больше момента количества движения Солнца, что противоречит закону сохранения кинетического момента. Кинетическим моментом в физике называется момент количества движения для вращающихся тел. Момент количества движения учитывает два вида вращательного движения – вокруг оси и вокруг другого тела.

Гипотеза Канта – Лапласа использовала вычисления для вращательного момента тел вокруг другого тела. При вычислениях планеты как в космическом масштабе малые величины были условно приняты за материальные точки. Числовое выражение момента количества движения вычислялось по формуле L=m · r · v. По закону сохранения момента количества движения (никакие события внутри изолированной системы взаимодействующих вращающихся тел не приводят к изменению общего для системы момента количества движения), момент количества движения для данной системы неизменен. Момент количества движения Солнца при вычислении дал около 2 % от планетарного, что поставило ученых в тупик:

при массе Солнца на 98 % большей, чем масса всех планет Солнечной системы, этого не могло быть. Требовались новые гипотезы. Гипотеза, предложенная Джинсом, объясняет расчетное несоответствие вмешательством сторонней звезды. Это так называемая гипотеза катастрофы : в период времени, когда Солнце уже было образовано, мимо него и близко от него прошла другая звезда, которая вызвала сильный гравитационный эффект с приливами солнечного вещества и выбросом газовых струй, в результате чего из выброшенного Солнцем материала и сформировалась Солнечная система. Эта гипотеза объясняла, как могла быть сформирована планетарная система, но ставила нашу систему в исключительное положение (иначе пришлось бы предположить, что все планетарные системы образуются подобным образом). Гипотеза Шмидта избавилась от блуждающей звезды и предложила другой вариант творения: Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило материю с достаточным моментом количества движения, из которой и сформировалась планетная система, в результате чего период обращения Солнца сократился до 20 суток (по современным данным, он равен 25 суткам).

63. Звездные характеристики

Каждая звезда обладает своего рода «звездным паспортом», то есть, как говорят астрономы, имеет звездные характеристики. К звездным характеристикам относятся следующие показатели: возраст звезды, масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее светимость, температура, спектральный класс (химический состав).

Светимостью звезды называется полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду: Lc = 4 · 1026 Вт. Абсолютной звездной светимостью называется светимость звезды на расстоянии от нее в 10 Пк (парсек) (1 Пк = = 3,26 светового года = 3,08 · 1016 м).

Для земного наблюдателя большое значение имеет не абсолютная светимость (звезды удалены на разные расстояния), а так называемая видимая звездная величина, то есть величина, характеризующая звезду с точки зрения визуального наблюдения. Видимая звездная величина может быть отрицательной и положительной; чем ярче звезда, тем более отрицательна ее величина: например, наше Солнце (имеющее незначительную абсолютную светимость) имеет видимую звездную величину –26,72, а ярчайшая, но далекая Альфа Центавра +0,3.

Температура поверхности звезды дает ей тот или иной оттенок свечения или цвет звезды, который связан со спектром излучаемого света, поэтому звезды классифицируются по температуре (цвету) согласно буквам латинского алфавита – O, B, A, F, G, K, M. Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Наиболее яркие – звезды белого и голубого цвета, самые тусклые – умирающие красные звезды. Свечение звезды показывает, что в ней идут термоядерные реакции.

Масса оценивается в долях от массы Солнца. Стареющие звезды после выгорания водорода и при массе менее или равной 1,2 массы Солнца, образуют красные гиганты с гелиевым ядром, когда остается только само ядро – белые карлики, и последний этап жизни – черный карлик. Звезды с массой более 1,2 массы Солнца взрываются (взрыв сверхновой) и превращаются в пульсары, черные дыры или квазары (в которых предполагают гигантские черные дыры).

Основную массу звезд составляет водородно-гелиевая плазма.

64. Галактики

Множество созвездий и звездных скоплений образуют гигантское формирование, массив звезд или галактику. Первоначально это слово употреблялось для обозначения системы, в которую входит наша планета со своим Солнцем, и по-гречески обозначала Млечный Путь. Со временем и расширением наших знаний о космосе стало понятно, что Млечный Путь – не единственная галактика во Вселенной.

Галактик множество, наша галактика Млечный Путь – одна из многих. В нашу галактику входит более триллиона звезд. Существуют гигантские галактики, включающие 1013– 1015 звезд. Галактики могут иметь различную форму. Наша галактика имеет форму диска с выпуклым ядром в центре, от которого отходят спиралевидные рукава. Размер галактики определяется в световых годах (один световой год – это расстояние, которое преодолевает свет в вакууме за 1 год). Глубина нашей галактики определяется в 1,5 тыс. световых лет, возникла она около 15 млрд лет тому назад.

Необходимыми условиями образования галактик являются два: наличие случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной (идея впервые высказана еще Ньютоном) и наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства.

В XX в. были выявлены участки Вселенной, имеющие изолированный характер и обладающие огромной массой (1015–1016 масс Солнца), из которых формируются звездные системы (галактики). Первоначально такие участки имеют форму куба, затем уплощаются, становятся блиновидными и сферически симметричными. В них идет процесс образования звезд.

Спиральные галактики (80 %) встречаются чаще, чем галактики других типов (эллиптические и неправильные), предположительно это связано со слиянием протогалактик в звездных скоплениях. Галактики могут быть крупными (гигантскими) и мелкими. По одной из версий, гигантские галактики возникают из галактики нормального размера, которая поглощает соседние звездные образования. Мелкие галактики, которые поглощаются, принято называть галактиками-миссионерами. Существуют галактики в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик), облаков скоплений (тысячи галактик) и очень редко одиночно, расстояния между ними в 10–20 раз превышают размеры самих галактик.

65. Закон Хаббла

К поведению и свойствам объектов мегамира приложимы те же самые физические законы, которые действуют на планете Земля: закон сохранения энергии, закон всемирного тяготения, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса. Сложности вычислений для Вселенной связаны с учетом огромного количества объектов, поэтому к космосу неприложимы законы классической механики, а используются законы релятивистской физики (с теорией относительности Эйнштейна, неевклидовой геометрией и т. д.).

На протяжении XIX–XX вв. возник ряд теорий, объясняющих происхождение и будущее Вселенной. Одну из них предложил Э. Хаббл. Он основывал свою теорию на модели А. Фридмана, построенной на утверждении теории относительности Эйнштейна, что наша вселенная стационарна во времени, но может или расширяться (в Римановском пространстве), или сжиматься, или пульсировать. Фридман был сторонником теории расширения Вселенной.

В 1917 г. астроном Слайфер для проведения спектрального анализа установил на телескоп спектрограф и обнаружил красное смещение спектра. С середины XIX в. был известен так называемый эффект Доплера , гласящий, что смещение спектра в длинноволновые области происходит при удалении от наблюдаемого объекта. Слайфер зафиксировал красное смещение, но теоретически его не обосновал. Эту работу в 1929 г. выполнил Э. Хаббл, которого заинтересовало, почему наблюдается смещение спектра в длинноволновые области. Он проверил данные Слайфера и обнаружил, что все объекты удаляются. На основании смещения спектра в длинноволновые области Э. Хаббл вывел следующую закономерность: красное смещение спектральных линий галактик в сторону длинных волн тем больше, чем дальше от нас находятся галактики.

V = HR, где V – скорость галактики; H – постоянная Хаббла; R – расстояние до галактики.

, лежит в пределах от 50 до 100, обычно около 75.

1 Пк (парсек) = 3,26 светового года = 3,08 · 1016 м.

, где τ – время жизни Вселенной, τ = = 13 млрд лет.

Фактически Э. Хаббл математически доказал, что галактики удаляются друг от друга, то есть Вселенная расширяется.

66. Теория Большого Взрыва

Теория Большого Взрыва разработана учеником Фридмана Дж. Гамовым и основана на математическом обосновании красного смещения Хабблом. Из рассуждений Хаббла вытекало следующее: чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются; расширяется только Вселенная, а не Метагалактика; центра, от которого происходит расширение, не существует; постоянная Хаббла одинакова во всей Вселенной в каждый момент времени, но со временем убывает; Вселенная нестационарна, изменяется, эволюционирует.

По теории Гамова существует эпицентр или момент взрыва: 13–15 млрд лет назад, когда Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии (ρ = 1019 г/см3, Т = 1032 К). До взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. Взрыв положил начало существованию и развитию Вселенной, которая прошла четыре эры развития: 1) адронную (τ = 10-4 с); 2) лептонную (τ = 0,2 с); 3) фотонную (τ = 1 млн лет); 4) звездную (пока не закончилась).

1.  Адронная эра связана с образованием из кварков тяжелых частиц (барионов, или адронов), которые, реагируя с антибарионами, создавали реакции аннигиляции; затем барионы стали распадаться на нейтроны и протоны (которые существуют до сих пор, как и положительный барионный заряд):

2.  Лептонная эра связана с появлением легких частиц (электронов, фотонов, позитронов, реликтового нейтрино):

В конце лептонной эры количество протонов и нейтронов уравновесилось.

3.  Фотонная эра (эра излучения) связана с изменением фотонов (их энергия стала меньше, длина волн увеличилась), отделением вещества от антивещества, фотонов от вещества (в виде электромагнитных излучений – рентгеновского, ультрафиолетового, светового, инфракрасного), появлением света в ставшей прозрачной для излучения Вселенной. Начался процесс образования ядер водорода и гелия:

Реликтовое фотонное излучение присутствует во Вселенной до сих пор, оно было обнаружено в 1964 г. До сих пор сохраняется и соотношение между гамма-фотонами и протонами и нейтронами (гамма-фотонов в 1 млрд раз больше).

4. После фотонной с появлением атомов H и He началась звездная эра.

67. Эволюция Вселенной и фундаментальные постоянные

Согласно современным представлениям наша Вселенная расширяется и состоит из: 1) светящегося вещества (галактики, звезды, планеты, межзвездный газ, представляющий собой пыль из атомов водорода, гелия и примесей других элементов), которое являет собой барионную форму существования материи; 2) реликтового излучения (фотонов); 3) темной (скрытой) материи, вещества, свойства которого неизвестны, но его масса в несколько раз превышает количество известной материи.

В 1950-е гг. была разработана модель стационарной Вселенной (модель Хойла), исследующая процессы взаимопревращения вещества и антивещества. В 1992 г. появилась модель «холодной» Вселенной (модель Зельдовича), в середине 1990-х гг. – модель Альфена , который уделяет внимание всей совокупности процессов (не только гравитационным) – гравитации, магнитогидродинамике, электромагнетизму, плазменным процессам. Согласно этой модели, Вселенная состоит из плазмы, а реликтовое излучение – это микроволновой фон, окружающий плазму.

Все теории учитывают, что во Вселенной существует тонкая подстройка, то есть совокупность случайностей, которые привели к существованию и становлению той Вселенной, в которой мы живем. Совокупность случайностей привела и к появлению разумной жизни. Но случайности базируются на известных физических законах и открытых учеными фундаментальных постоянных: скорости света, гравитационной постоянной, постоянной Планка, заряде электрона, массе электрона, массе протона, массе нейтрона, системе трех координат, безразмерной энтропии вселенной (S ~ 109).

Фундаментальные постоянные имеют строго количественное значение (выражение); любое изменение их численных значений создает другой мир, отличающийся от нашего: 1) если увеличить значение постоянной Планка на 15 %, протоны не смогут соединяться с нейтронами, то есть невозможен первичный нуклеосинтез; 2) если уменьшить или увеличить гравитационную постоянную на 10 %, то в первом случае все звезды станут красными карликами, во втором – белыми и голубыми.

Тонкая подстройка Вселенной свидетельствует, что: 1) физические характеристики материи Вселенной определяются числовыми значениями физических постоянных; 2) незначительное изменение фундаментальных постоянных приводит к невозможности существования наблюдаемой Вселенной.

68. Ячеистая структура Вселенной

Теория Большого Взрыва (модель Гамова) была для своего времени передовой, она объясняла многие явления, включая эксперименты Хаббла, предсказала открытие реликтового излучения, но в некоторых областях оказалась бессильной. Она не могла объяснить ни скручивания галактик, ни их «блиновидной» формы, особенно в случае однообразного крупномасштабного закручивания; ни образования космических вихрей, скорость которых достигает 100–300 км/с.

Некоторые открытия укрепили теорию (экспериментальное обнаружение реликтового излучения), некоторые добавили вопросов. Среди таких открытий – обнаружение в конце XX в. ячеистой структуры Вселенной, выражающееся в том, что существуют образования, похожие на своего рода соты, и по границе ячеек фиксируется вещество, а внутренняя часть либо пуста, либо несет неизвестную (скрытую) материю, характер и свойства которой неизвестны. Размеры ячеек огромны, объем каждой около 1 млн кубических парсеков.

Современная теория считает, что вещество во Вселенной распределено однородно и изотропно. Существование ячеек с пустотой или неизвестно чем внутри вызывает сомнение в изотропности Вселенной. Модель Гамова не дает ответов, почему так, откуда эти ячейки и что в них.

Но достоинства теории перевешивали ее недостатки, и на основе этой модели появились новые, дополненные и улучшенные: модель «раздувающейся Вселенной», модель Альфена, образование вихрей объясняет теория газодинамического образования вихрей (тем, что при столкновении «блинов» образуется ударная волна, которая и закручивает галактики в одну сторону) и т. д.

Модель «раздувающейся Вселенной», или, как ее называют, теория инфляции, была создана в 1980-е гг. Гутом. Теория построена на достижениях последних экспериментов с элементарными частицами и учитывает ячеистую структуру Вселенной. Она гласит, что Вселенная возникла из ничего, из физического вакуума, в котором не было вещества, но имелась огромная энергия, заключенная в ячейке физического вакуума. Отсутствие вещества (и как следствие – отсутствие гравитации) позволило ячейке за 10-35 секунды раздуться до размеров метагалактики, после чего через 10-31 секунды энергия перешла в вещество (создала вещество). Вывод: вещество порождено вакуумом и исчезнет в вакууме.

69. Антропный принцип

Антропный принцип был сформулирован в 1958 г. Г. Идлисом (СССР) и основывался на понятии точной подстройки Вселенной. Но если точная подстройка исследовала возможность или невозможность существования Вселенной, подобной нашей, при сохранении фундаментальных постоянных, то Идлиса больше интересовало, насколько возможно возникновение углеродной жизни при перемене констант. В результате проведенных расчетов выяснилось, что фундаментальные постоянные имеют именно те значения, при которых становится возможным существование во вселенной живых углеродных систем, а любое отклонение от констант может породить жизнь, но это будет жизнь, построенная на других принципах (например, на основе кремния или меди и т. п). Выяснилось, что интервал изменения констант, который «разрешает» существовать разумной жизни, очень мал. Отклонения фундаментальных постоянных от существующих автоматически убивают возможность появления жизни. Антропным принцип был назван, поскольку изучение констант проводилось с точки зрения формирования разумной жизни, то есть человека в том виде, в каком он существует.

В 1974 г. Картер разделил положения принципа на сильную и слабую версию.

Слабая версия антропного принципа показывает возможность создания благоприятных локальных условий для появления человека во Вселенной: то, что мы предполагаем наблюдать, должно ограничиваться условиями, необходимыми для существования человека в качестве наблюдателя развития вселенной, поскольку в мире с другими свойствами, человек бы не появился (то есть свойства Вселенной таковы, что в ней могла появиться жизнь и разум).

Сильная версия антропного принципа утверждает необходимость: человек не просто наблюдает Вселенную, но придает ей смысл существования; человек не просто является мерой всех вещей, но и их творцом, то есть Вселенная должна быть такой, чтобы в ней в результате эволюции обязательно появился бы человек как наблюдатель, то есть необходимые условия закладываются при зарождении Вселенной.

Антропный принцип гласит:

• Применимость физических законов и фундаментальных постоянных пока ограничена ближним космосом; действуют ли они во всей Вселенной, неизвестно.

• Существующие физические законы с физическими постоянными предполагают только углеродную жизнь с водой в качестве растворителя.

70. Химическая эволюция Земли и биогенез

В процессе развития Земли из-за вращения шло распределение химических элементов: более тяжелые скопились в мантии и ядре, более легкие – в земной коре, а самые легкие образовали гидросферу и атмосферу. Земля стала разогреваться за счет вулканической деятельности, первопричиной которой является естественная радиоактивность, то есть процессы ядерного распада, идущие в недрах планеты. В результате вулканической деятельности образовалась первичная атмосфера Земли, которая была восстановительной: CO2, NH, HCN, CH4, H2O, но кислорода как такового в атмосфере не было. Он появился около 2 млрд лет назад вследствие зарождения простейшей жизни: микроорганизмы, поглощая углекислый газ в процессе фотосинтеза, стали производить кислород, и в атмосфере Земли произошли резкие качественные изменения. За последние 200 млн лет состав атмосферы почти не изменился – 78 % азота, 21 % кислорода и меньше процента инертных газов (в основном аргона) и сотые доли процента – углекислого газа.

Вопросами возникновения органической жизни занимается эволюционная химия , которая видит ответ в самоорганизации химических элементов, которые из набора органогенов С, Н, О, N, Р, S и 12 химических элементов Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co в определенных условиях создали органические соединения – аминокислоты и белки. В 1964 г. Руденко создал теорию саморазвития открытых каталитических систем, известную как общая теория хемо– и биогенеза. Он считал, что эволюции способствовали вещества-катализаторы, ускоряющие изменения химических систем: на первом этапе изменялись неорганические химические вещества, потом возникли органические вещества и затем – органическая жизнь. Когда период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция застыла и затормозилась. Поворотным моментом в истории развития жизни является кембрийская эра, когда на смену одноклеточным пришли многоклеточные живые существа. Появление многоклеточных называется иначе «кембрийским взрывом» , поскольку за 3–5 млн лет появились все известные типы живых организмов.

71. Теория панспермии

Гипотез, объясняющих появление жизни на Земле, существует немало. До XX в. наиболее распространенными были креационизм (божественное сотворение живого мира согласно Библии), концепция многократного спонтанного зарождения жизни из неживого вещества (Аристотель считал, что живое может возникать при разложении почвы); концепция стационарного состояния (по ней жизнь существует изначально и вечно); концепция происхождения жизни в результате определенных физических и химических процессов; теория панспермии .

Теория панспермии предполагает, что жизнь была занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем вмешательства разумных пришельцев из других миров. Возможность переноса спорами достаточно реальна (метеориты), но доказательств этому нет. Намеренный перенос жизни историческими свидетельствами не подкреплен. По Либиху, можно рассматривать как постоянные хранилища органических зародышей атмосферы небесных тел и вращающихся космических туманностей, откуда жизнь переносится по всей Вселенной.

Доктор Рихтер в 1865 г. предложил гипотезу космозоев (космических зачатков) : существуют вечные зачатки жизни, которые переносятся с планеты на планету (теорию поддержали видные ученые того времени – Кельвин, Гельмгольц и др.). В начале XX в. Аррениус предложил теорию радиопанспермии (споры с населенных планет увлекаются в космос и странствуют за счет светового давления, пока не окажутся на подходящей планете, где просыпаются и порождают жизнь). В качестве «доказательств» предлагаются археологические артефакты (от наскальных рисунков до моделей самолетов из египетских гробниц) или изыскания уфологов. Наиболее уязвимым местом теории является вопрос: если жизнь откуда-то перенесена, как она там возникла, что сразу возвращает ученых к исходной точке.

Наиболее разумна теория биологической эволюции , предполагающая возникновение жизни в результате физических и химических процессов в условиях молодой Земли, которые непригодны для развитой уже жизни: высокая температура (4000 °C), атмосфера, состоящая из водяных паров, СО2, СН3, NH3, присутствие сернистых соединений (вулканическая активность), высокая электрическая активность атмосферы, ультрафиолетовое излучение Солнца, беспрепятственно достигавшее поверхности Земли при несформированном озоновом слое.

72. Гипотеза Опарина – Холдейна

Гипотеза Опарина появилась в 1923 г. и сразу привлекла внимание. Ученый картину зарождения жизни видел так: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и приводить к возникновению «первичного бульона». В «бульон» входили аминокислоты и белки, возникшие в силу случайных обстоятельств (электрические разряды, высокая температура и т. п.). Белки создавали гидрофильные комплексы, которые обособлялись от водной фазы и образовывали коацерваты (сгустки) с липидной оболочкой, преобразующиеся в примитивные клетки.

В 1929 г. английский ученый Холдейн опубликовал свою гипотезу возникновения жизни (без гидрофильных комплексов и коацерватов). По Холдейну, жизнь возникла из неоргани ческих веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую и путем образования простых органических соединений.

Оба ученых обосновывают теорию следующим: в раннем возрасте Земля представляла собой раскаленную планету, которая «перемешивала» химические элементы в процессе вращения (тяжелые опускались к центру, легкие всплывали к поверхности); так водород, углерод, азот сконцентрировались наверху. При охлаждении образовались также метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, кислород и др. Большое значение имело образование воды и формирование того типа атмосферы, в которой возможны окислительно-восстановительные процессы. Вулканическая деятельность способствовала высвобождению массы углерода. Попадая в первобытный океан, углерод образовывал углеродные соединения, которые в результате дальнейшего синтеза под влиянием солнечной энергии образовали среду, где смогла зародиться жизнь.

Гипотеза Опарина – Холдейна содержит рациональное зерно, но устарела: она не учитывает молекулярную биологию, механизм передачи генов, роль РНК и ДНК. Однако идея подвигла других ученых смоделировать условия древней Земли в лаборатории. Миллеру удалось получить 15 аминокислот и простые сахара, Орджелу – простые нуклеиновые кислоты, на сегодняшний день синтезированы все 20 аминокислот.

73. Предмет, задачи и методы биологии

Биологией называется совокупность наук о живых системах.

Предметом изучения биологии является биологическая жизнь, включая строение и функции живых существ и их природных сообществ; распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ; связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.

К задачам биологии можно отнести изучение существующих биологических закономерностей в живой природе.

Биология оперирует методами , свойственными для всех естественных наук, – это: наблюдение (позволяет описать биологическое явление); сравнение (дает возможность найти закономерности, общие для разных явлений); эксперимент (позволяет исследователям искусственно воссоздать ситуацию и выявить свойства биологических объектов); исторический метод (раскрывает законы развития живой природы на основе данных о современном мире живого и о его прошлом).

Биологические науки можно систематизировать по:

1) предмету изучения: ботаника, зоология, микробиология и т. д.; 2) общим свойствам живых организмов:

генетика (закономерности наследственности), биохимия (превращения вещества и энергии), экология (взаимоотношения живых существ с окружающей средой) и т. п.;

3) уровню организации живой материи (молекулярная биология, цитология, гистология и т. п.);

4) общему направлению:

–  традиционная, или натуралистическая биология, объектом которой является изучение живой природы в естественном состоянии и нерасчлененной целостности; главный метод – наблюдение без попыток вмешаться в естественный ход вещей; исследует взаимоотношения организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы); главная черта – экологичность;

–  функционально-химическая биология, основанная на молекулярной биологии, смыкающаяся с точными физико-химическими науками, использующая множество экспериментальных методов для исследования живой материи на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях;

–  эволюционная биология, изучающая закономерности исторического развития организмов и базирующаяся на теории эволюции Ч. Дарвина;

–  теоретическая биология, в которую входят общетеоретические исследования фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи.

74. Аксиомы биологии Медникова

В отличие от вопроса о происхождении жизни, вопрос о сущности жизни лежит в плоскости разделения живой и неживой материи. Поисками границы между живым и неживым занимались еще в древности, но в XX в. физики всерьез заговорили о воле и разуме элементарной частицы, а создание искусственного интеллекта вплотную подвело к вопросу, является ли разум непременным свойством живой разумной материи. Поэтому перед биологией встала задача – найти признаки, способные отделить живое от неживого. Разные ученые выдвигали разные критерии для проведения такой границы. В качестве основной характеристики жизни Э. С. Бауэр (1935 г.) предлагал принцип устойчивой неравновесности живых систем, а Л. Берталанфи (1932 г.) рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия.

Аксиомы биологии, выведенные Б. М. Медниковым, позволяют разделить существующую природу на живую и не живую, то есть провести границу между жизнью и тем, что не является жизнью. К ним относятся следующие:

1. Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, так как при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания.

1. Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

2. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует.

3. В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема.

75. Живые организмы как целостные системы

Биологической (живой) системой называется совокупность взаимодействующих элементов, образующих целостный объект с новыми качествами, не свойственными входящим в систему элементам.

Свойствами целостной (живой) системы являются: множественность элементов, наличие связей между ними и окружающей средой, согласованная организация их взаимоотношений как в пространстве, так и во времени для осуществления функций системы.

Жизнью в биологии называется высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

К признакам живого организма относятся: сложная упорядоченная структура, получение энергии из внешней среды и использование ее на поддержание этой упорядоченности, способность изменяться и усложняться, активно реагировать на внешнюю среду, самовоспроизводиться на основе генетического кода.

Живая целостная система образуется в результате соединения составных элементов в порядке, сложившемся в процессе эволюции, и обладает следующими качествами :

– единство химического состава (углеродная жизнь с преобладанием 6 элементов – О, С, Н, Са, F, N и сложных полимеров);

– открытость системы (то есть использование внешних источников энергии для осуществления в организме метаболизма, основанного на процессах анаболизма и катаболизма – синтеза и распада веществ – для биосинтеза);

– способность к самоуправлению, саморегуляции, самоорганизации, самовоспроизведению;

– изменчивость (приобретение в ходе жизни новых качеств, полезных для приспособления к среде);

– способность к росту и развитию (на индивидуальном и видовом уровне – онтогенезу и филогенезу);

– раздражимость (реакция на внешние раздражители);

– целостность и дискретность одновременно (дискретность, поскольку система состоит из отдельных живых систем – клеток; целостность, поскольку живые системы взаимосвязаны).

Все признаки существуют только в совокупности, и ни один из них не является основным.

76. Уровни организации живых систем

В биологии рассматриваются три уровня существования живых систем: биологическая микросистема (молекулярный и клеточный уровни); биологическая мезосистема (тканевый, органный, организменный уровни); биологическая макросистема (популяционно-видовой, биоценотический, биосферный уровни).

Биологическая микросистема. Молекулярный уровень отличается тем, что состоит из отдельных признаков жизни, представляющих собой однотипные дискретные единицы, присущие всем живым организмам, – 20 аминокислот и 4 одинаковых основания, входящие в состав молекул нуклеиновых кислот. Биологическая энергия содержится в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), наследственная информация – в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в реализации генетической информации участвуют молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Клеточный уровень представлен клеткой – самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, присущей всем живым организмам, на уровне клетки происходят биосинтез и реализация наследственной информации; у одноклеточных организмов клеточный уровень совпадает с организменным.

Биологическая мезосистема. Тканевый уровень образует совокупность клеток с одинаковым типом организации, здесь наблюдается сходство между всеми живыми существами, это уровень всех многоклеточных организмов, отличающий их от одноклеточных. Органный уровень представлен совместно функционирующими клетками, относящимися к разным тканям, шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений. Организменный уровень имеет огромное разнообразие форм, представляет многообразие организмов, относящихся к разным видам или в пределах одного вида, что объясняется усложнением комбинаций единиц низшего порядка.

Биологическая макросистема. Популяционный уровень представляет собой совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, то есть популяцию, которая является элементарной единицей эволюционного процесса. Биоценотический уровень включает исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Биосферный уровень включает всю совокупность биогеоценозов и обуславливает все процессы, протекающие в биосфере.

77. Термодинамические процессы в живых системах

В классической термодинамике рассматриваются изолированные (замкнутые) или равновесные системы. Для замкнутых систем характерны простейшие расчетные уравнения, основанные на ряде характеристик: объем (V), работа (A), давление (P), температура (T), теплота (Q), внутренняя энергия тела (U). Для этих систем Т является производной от энергии, а запас энергии всегда имеет положительную величину, поскольку даже при Т = 0 К существует колебательное и вращательное движение молекул (то есть их тепловое движение).

Теплота является одной из форм энергии, которую получает или передает система, работа выражается равенствами А = F · S, A = P · V и определяется силой действия на систему, а внутренняя энергия тела состоит из суммы энергии атомов, молекул, электронов:

U = Uпоступ движ молек+ Uядер+ Ue + …

Ек и Еп данной системы в целом не учитывается. Классическая термодинамика сводится к двум началам термодинамики :

1) закону сохранения и превращения энергии (Q = U + A, где U – изменение внутренней энергии);

2) закону максимального роста энтропии при необратимых процессах до достижения системой равновесия

Живые системы не являются замкнутыми. Открытость системы – главное условие для ее существования, то есть если бы законы классической термодинамики выполнялись в открытых живых системах, они были бы обречены на смерть. Но этого не происходит, хотя законы термодинамики работают. Для живых систем в расчеты включается также и среда, с которой обменивается энергией живое существо, таким образом, термодинамические процессы существуют для единого комплекса: живая открытая система + внешняя среда = замкнутая система.

Согласно первому закону термодинамики получаемое организмом количество энергии существует в виде: а) выделяемого тепла; б) совершаемой работы или выделяемых веществ; в) теплоты сгорания веществ, синтезированных за счет энергии, поступившей извне.

Согласно второму закону термодинамики энтропия изменяется в ходе процессов, происходящих в самой живой системе при обмене веществом и энергией с окружающей средой, и не разрушает систему, а переходит во внешнюю среду; при высокой скорости роста энтропии организм погибает.

78. Теорема Пригожина для открытых термодинамических систем

По теореме Пригожина: в открытой термодинамической системе, предоставленной самой себе, при неизменных условиях прирост энтропии уменьшается до тех пор, пока она не достигнет стационарного динамического равновесия; в состоянии динамического равновесия прирост энтропии минимален.

В открытой живой системе на протяжении ее существования происходит распад элементов, приводящий к росту положительной энтропии (то есть неупорядоченности системы), поэтому живая система компенсирует неупорядоченность внутренней работой (синтез элементов взамен распавшихся) и процессом с негэнтропией (отрицательной энтропией), который противодействует росту положительной энтропии и создает упорядоченность системы. Живые системы, запуская негэнтропию, стремятся к стабильности.

Гетеротрофные организмы (потребляющие для жизни только органическую пищу) получают энергию в результате химических реакций; низкая энтропия связана с тем, что для питания они используют высокоструктурированные органические вещества, обладающие низкой энтропией (высокой

степенью упорядоченности), а выводят из организма отходы жизнедеятельности с высокой энтропией. Гетеротрофные организмы упорядочивают себя благодаря самой структуре питательных веществ. Автотрофные организмы (синтезирующие питательные вещества из неорганических соединений с помощью фотосинтеза) получают энергию из солнечного света, то есть электромагнитного излучения с низкой энтропией, их существование зависит от условий среды (нет света – нет фотосинтеза, гибель). Живые системы, в которых происходят необратимые термодинамические процессы, способны существовать только благодаря наличию обмена веществ, который не дает расти энтропии. Живые системы нельзя рассматривать в отрыве от окружающей среды, вместе они составляют устойчивые термодинамические системы, для которых второе начало термодинамики справедливо: живая система берет из внешней среды продукты питания и отдает во внешнюю среду продукты распада, поэтому в комплексе «живая система + среда» энтропия растет. Для живой системы это означает, что внутри нее существует упорядоченность, а во внешней среде за счет деятельности живой системы упорядоченность уменьшается.

79. Саморегуляция живого организма

Для того чтобы живой организм мог существовать, в нем должны происходить процессы управления и регулирования. Под управлением понимается процесс, позволяющий организму сохранить элементы своей структуры, поддерживать режим своей деятельности и реализовывать цели этой деятельности согласно существующим алгоритмам. Под регулированием понимают функции системы, позволяющие контролировать необходимые для жизни параметры, изменять их в согласии с заложенной программой (программное регулирование) или в зависимости с условиями внешней среды (следящее регулирование).

Обе эти функции направлены на поддержание динамического постоянства характеристик внутренней среды организма, или гомеостазиса . Поддерживать гомеостазис живая система способна при помощи реакций на изменение условий внешней среды, адаптируясь к происходящим изменениям, или условий внутренней среды, приводя структуру в более упорядоченное состояние. Любое нарушение гомеостазиса преодолевается живой системой собственными силами, а не извне, почему процессы управления называют самоуправлением, а процессы регулирования – саморегуляцией. В отличие от механизмов или объектов неживой материи живые системы принято называть самоорганизующимися системами.

Самоорганизацией называется процесс создания, поддержания и совершенствования организации сложной системы. Этот процесс протекает на всех уровнях организации живой материи (клеточном, организменном, популяционном, биогеоценозмом) за счет изменения структуры существующих связей или же образования новых между структурными элементами системы; организм приспосабливается к изменяющимся условиям или перестраивает управление, вводя или выводя из использования те или иные элементы системы, меняя очередность или способ связи между элементами, то есть изменяя алгоритм управления.

Саморегуляция организма происходит на нескольких уровнях: а) внутриклеточном, производящем биохимическую регуляцию согласно генетической программе; б) тканевом, регулирующем обмен веществ в результате разложения пищи; в) органном, регулирующем обмен веществ с помощью выработки гормонов железами внутренней секреции; г) уровне центральной нервной системы, влияющем на общую жизнедеятельность и контролирующем регуляцию на всех уровнях.

80. Информационные уровни управления

Система управления организмом построена по иерархическому, то есть многоуровневому принципу: в каждой уровневой системе происходит управление теми или иными процессами, присущими данному уровню, причем масштаб решаемых задач зависит от иерархии уровня: более мелкие задачи (частные) решаются на более низком уровне, более важные – на более высоком уровне, а задачи, связанные с общими целями жизнедеятельности – на уровне всего организма.

Саморегуляция организма происходит на следующих уровнях: а) внутриклеточном, производящем биохимическую регуляцию согласно генетической программе; б) тканевом, регулирующем обмен веществ в результате разложения пищи; в) органном, регулирующем обмен веществ с помощью выработки гормонов железами внутренней секреции; г) уровне центральной нервной системы, влияющем на общую жизнедеятельность и контролирующем регуляцию на всех уровнях.

В основе процессов саморегуляции лежит обмен информацией, который осуществляется благодаря существованию информационных связей – гормональных, нервных, генетических.

Гормональные связи осуществляются в организме с помощью особых химических сигналов – гормонов – которые распространяются вместе с кровью от определенных органов, их вырабатывающих, в другие органы, способные их воспринять в необходимом для функциональности организма количествах. Гормоны влияют на все функции организма, создавая так называемый гормональный фон. Если их слишком много или слишком мало, организм начинает разрушаться.

У многоклеточных живых существ существует центральная нервная система , которая по сложным нервным образованиям передает сигналы о внешней среде и внутреннем состоянии организма; параметрами нервной связи является частота следования импульсов, которая увеличивается при повышении интенсивности стимула. Это обратная связь между рецепторами, расположенными на периферии, и главным руководящим органом – мозгом.

Генетическая связь является связью между устройством и деятельностью существующего организма и программой (информацией), хранящейся в виде записанной на материальный носитель (молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК) информации обо всех структурных элементах организма.

81. Специфика самоорганизации живых систем

Важнейшей особенностью любой биологической системы (начиная с одноклеточных организмов и до человека) является наличие у этой системы обратных связей . Это один из основных принципов, лежащих в основе саморегуляции и самоорганизации живых систем, без которого невозможна жизнедеятельность. Существование обратной связи помогает организму получать, передавать, сопоставлять и посылать откорректированный сигнал, устраняя нежелательные искажения или спасая организм от повреждения. Обратные связи контролируют правильное течение всех процессов в биологической системе.

Принято разделять обратные связи на положительные и отрицательные. Положительной обратной связью называется такая, когда в результате процесса воздействие усиливается. Отрицательной обратной связью называют такую, когда в результате процесса воздействие ослабляется.

Положительные и отрицательные обратные связи работают как на уровне отдельного организма, так и на уровне популяции и даже всей биогеоценозной системы, причем роль этих связей неравноценна: для хорошей функциональности отдельного организма или популяции более значительную роль играют отрицательные обратные связи, которые помогают адекватно реагировать на изменяющиеся условия внешней среды или нарушение внутренних процессов, они обеспечивают стабильность живой системы и возможность адаптации к некомфортной среде, осуществляют контроль за балансом (энергетическим и метаболическим) живой системы, ростом популяции, ходом эволюции. Для ускорения развития и роста живой системы большее значение имеют положительные обратные связи.

Следовательно, отрицательные обратные связи способствуют воспроизведению заложенной программы развития и жизнедеятельности, а положительные обратные связи улучшают какие-то новые качества и способствуют их передаче потомству. На всех уровнях самоорганизации сначала происходит информационный обмен с помощью положительной обратной связи и только потом включается механизм отрицательной обратной связи с наложением на процесс каких-то ограничений или изменением его направления.

Главной целью управления в самоорганизованной системе является процесс жизнедеятельности, который можно разбить на три уровня (по решаемым целям): 1) выживание; 2) поддержание гомеостазиса; 3) долгая сытая жизнь.

82. Эволюционная теория Дарвина

Эволюцией называется процесс длительных и постепенных изменений, которые приводят к качественным изменениям, завершающимся образованием новых систем, структур и видов. Идеи о постепенном развитии живых организмов известны с античности, но до XIX в. главенствовало мнение, что живые системы не развиваются, а сразу появились в завершенном виде. Это мнение было основано на религиозных доктринах, предполагавших сотворение живого мира и человека Богом в законченном и не подлежащем переделке виде.

Первую теорию эволюции предложил Ламарк, который отверг идею постоянства видов и разделил все живое по «градациям», то есть по изменениям от низших существ к высшим; эта идея легла в основу его классификации живого мира, известной как лестница Ламарка . Причиной усложнения живых организмов Ламарк считал стремление к совершенству, а главным фактором – влияние окружающей среды.

Следующий шаг был сделан Чарльзом Дарвином. Основные принципы эволюционного учения Дарвина можно свести к следующим положениям:

1. Каждый вид способен к неограниченному размножению.

2. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности размножения, поэтому большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства.

3. Гибель или успех в борьбе за существование носят избирательный характер: выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены, то есть в природе происходит естественный отбор.

4. Под действием естественного отбора группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают приспособительные признаки, в результате чего приобретают существенные отличия и превращаются в новые виды.

Теория хорошо объясняла видовое разнообразие природы и существование близкородственных видов живых существ. Впервые в научном мире Дарвин определил место человека среди живых существ, отнеся человека к высокоорганизованным приматам. Именно этот пункт учения Дарвина вызвал ожесточенные споры, расколов общество на эволюционистов и креационистов. Передовые ученые и общественность способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок.

Одновременно с Дарвином аналогичную теорию независимо выдвинул американский ученый А. Р. Уоллес.

83. Синтетическая теория эволюции

В XX в. теория Дарвина была дополнена последними научными изысканиями и расширена. В нее вошли данные генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии, сравнительной эмбриологии, морфологии, биогеографии, систематики, селекции растений и животных. В науку она вошла как неодарвинизм, или синтетическая теория эволюции . Синтетическая теория эволюции выделяет популяцию как элементарную структуру, с которой начинается эволюция, и генотип популяции (устойчивое изменение) как элементарное явление, лежащее в основе процесса эволюции; более широко и глубоко рассматривает факторы и движущие силы эволюции; разделяет эволюцию на микроэволюцию и макроэволюцию.

Под микроэволюцией понимается совокупность эволюционных изменений, которые происходят в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводят к образованию новых видов, под макроэволюцией – эволюционные преобразования, приводящие к возникновению надвидовых форм организации живого за длительный исторический период.

Синтетическая теория эволюции рассматривает взаимодействия «сверху – вниз»: от биосферы к экосистеме, от экосистемы к сообществам, от сообществ к организмам и т. д., что позволяет выделить первичные связи, которые традиционный взгляд «снизу – вверх» воспринимает как случайные и незначительные.

Синтетическая теория опирается на неравновесную термодинамику (в частности, на теорию Пригожина, главное положение которой гласит, что в открытых неравновесных системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии) и рассматривает процесс эволюции как связанный с процессом накопления свободной энергии и уменьшением энтропии. По этой теории каждый уровень порядка рождает новый, более высокий уровень в органическом мире, поэтому биологическое разнообразие организмов проявляется на молекулярно-кинетическом, популяционном, видовом и биоценотических уровнях.

Эволюция рассматривается как самоорганизация, поиск структурами максимального состояния в меняющихся условиях, то есть как постоянная борьба порядка и хаоса, системного и бессистемного, структурного и бесструктурного. В ходе самоорганизации возникают отклонения (флуктуации), которые приводят к системным изменениям, закрепляются и становятся материалом для дальнейшей эволюции.

84. Основные законы и факторы эволюции

Современные исследования, проведенные в рамках генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии, сравнительной эмбриологии, морфологии, биогеографии, систематики, селекции растений и животных и других наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции .

1. В разные периоды времени скорость эволюции неодинакова, наибольшую длительность она имела в начальные периоды формирования жизни на планете Земля, когда требовались миллионы лет на появление нового качественного признака, но со времени появления млекопитающих эволюция характеризуется тенденцией ускорения и в настоящее время протекает быстро, за короткое время породив множество новых форм живых существ, а также приведя к вымиранию многочисленные старые виды.

2. Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью, скорость зависит не только от вида живого существа (более простые быстрее эволюционируют), но также от совокупности внешних факторов (например, угроза вымирания).

3. Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм.

4. Эволюция может быть регрессивной, то есть она не всегда идет от простого к сложному, но и от сложной формы к нескольким более простым, это характерно для низших видов живых существ, например, бактерий, которые сохранились только благодаря упрощению своей организации.

5. Эволюция затрагивает не конкретные живые существа, а целые популяции, и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.

К основным факторам эволюции относятся: 1) мутация (изменения наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызываемых искусственно); 2) популяционные волны, определяющие количественные флуктуации численности популяции, области ее обитания (ареала); 3) обособленность группы организмов; 4) частота смены поколений в популяции; 5) темпы и характер мутационных процессов и др. Воздействие факторов обусловлено их совокупностью для данной популяции.

85. Теория коэволюции

Теория коэволюции появилась как реакция на теорию дарвинизма, основным положением которой было признание естественного отбора ведущей силой эволюции. Теорию коэволюции выдвинул русский анархист Кропоткин, положив в основу не борьбу за существование и выживание наиболее сильных особей, а идею взаимопомощи как более важного фактора эволюции, нежели борьба. По этой теории изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам развития существующих форм (у Дарвина изменения происходят во всех направлениях и случайно, но неудачные изменения не переходят из поколения в поколение).

Теория коэволюции получила второе дыхание под влиянием экологических исследований, когда заговорили об экологическом равновесии в живой природе. Опираясь на полученные биологией новые факты, она смогла правдоподобно объяснить возникновение полов как фактора, способствующего большей стабильности, эволюцию в системе «хищник – жертва», требующей постоянного совершенствования качеств каждого живого существа в ней, эволюцию в системе «паразит – хозяин», требующей удивительной равновесности в отношениях.

В результате коэволюции происходит оттачивание и совершенствование существующих экосистем, которые приобретают большее разнообразие (совершенствуется хищник – совершенствуется жертва; совершенствуется паразит, кормящий своего хозяина – совершенствуется сам хозяин, делясь питанием с паразитом и т. п.). Главное в коэволюции – создание такой стабильности, когда один вид не может быть уничтожен другим, или когда один вид должен вырабатывать признаки, полезные для другого вида, и оба они входят в сотрудничество, чтобы развиваться дальше. С точки зрения коэволюции объясняются факты альтруизма у животных, общественное поведение, взаимопомощь в трудных ситуациях.

На основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции в последние десятилетия XX в. возникла теория Геи-Земли (Дж. Лавлок, Л. Маргулис), которая гласит, что атмосфера Земли обладает химической неравновесностью и механизмом обратной связи, что обусловило развитие жизни. Земля рассматривается как саморегулирующаяся система, способная поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата, атмосферы, среды, а эволюция биосферы – как процесс, не зависящий от человека.

86. Формы естественного отбора

В процессе эволюции естественный отбор принимает одну из трех форм: стабилизирующий, движущий и дизруптивный.

Под стабилизирующим отбором понимают форму естественного отбора, которая направлена на поддержание и повышение устойчивости реализации в популяции среднего, ранее сложившегося признака или свойства, что достигается преимуществом в размножении особей со средним выражением признака. Слишком хорошие или слишком плохие особи из размножения выключаются. Торжествует норма.

Стабилизирующий отбор привел живые виды независимо от уровня их организации к биохимическому единству, это доказывает факт почти полного совпадения аминокислотного состава низших позвоночных и человека – он почти одинаков. Благодаря стабилизирующему отбору на протяжении поколений сложившиеся виды ограждаются от существенных изменений в результате мутаций, мутировавшие особи не являются нормой и выбраковываются как некачественные. В то же время такой отбор действует, пока популяция находится в стабильных условиях.

Под движущим отбором понимают направленный отбор, вычленяющий и закрепляющий новую норму взамен старой, которая перестала соответствовать изменившимся условиям внешней среды. Это может быть как приобретение, так и утрата какого-то признака, ставшего ненужным (утрата пальцев у копытных, глаз у пещерных животных, конечностей у змей и т. п.). В этом случае из мутировавших особей выживают такие, качества которых соотносятся с внешней средой. Под дизруптивным понимают разрывающий отбор, когда внутри популяции складывается несколько фенотипов и исключаются средние, промежуточные формы (как при стабилизирующем отборе). Дизруптивный отбор приводит к большому разнообразию и характерен для случаев, когда условия существования настолько различны, что ни один генотип не получает абсолютного преимущества; выборка происходит локально – в одном ареале один признак, в другом – другой, образуется особый тип популяции с выраженным полиморфизмом (множеством форм в пределах одной популяции), из размножения выключаются особи со средним, промежуточным характером признаков.

87. Место человека в живой природе

Теория Дарвина нанесла удар по религиозному представлению происхождения человека. Согласно религиозной модели сознания, человек был сотворен по образу и подобию божьему, то есть одним этим выделен из животного царства. Непременным условием существования человека религия называла его обладание нематериальной субстанцией – душой, какой не обладало кроме человека более ни одно живое существо.

Приравняв человека к животным, Дарвин поставил жирный крест как на неизменности человека как живого существа, так и на наличии у него души. Он считал, что человека из живой природы выделяет наличие развитого более, чем у животных, мозга. Характер эволюции человека он как раз и определял улучшением мозга и мышления, что выдвинуло человека из среды животных, позволив ему достигнуть главенствующего положения, хотя он не мог сравниться с более быстрыми, более сильными, более приспособленными к дикой жизни животными. Предками человека Дарвин считал высших приматов.

И до Дарвина схожесть человека и приматов отмечали античные ученые (Аристотель); индийские философские трактаты (Аюрведа – в ней указывалось, что около 4 млн лет назад предки современных людей перешли к коллективному добыванию пищи, а современный человек появился около 1 млн лет назад); Карл Линней соотнес человека и высших обезьян, объединив их в один отряд, а Ламарк даже назвал осторожно и гипотетически обезьян возможными предками человека. Но Дарвин доказал единство происхождения, снабдив свою книгу сопоставлением общих признаков, и указал элементы эволюции – рука и мозг.

Современная наука определяет место человека среди живой природы следующим образом: человек является одним из видов млекопитающих, относится к отряду приматов, подотряду узконосых. Ближайшие родственники человека – человекообразные обезьяны: шимпанзе, горилла, орангутан, гиббон, это своего рода тупиковые ветви, которые 10–15 млн лет назад отошли от общей линии развития с человеком и развивались по другим законам. В анатомическом строении они имеют иное устройство нижней челюсти и руки, то есть не способны говорить и выполнять сложные действия пальцами.

88. Основные этапы развития человечества

Процесс выделения человека из древней группы насекомоядных млекопитающих начался около 35 млн лет назад, когда обособилась группа животных, давшая начало приматам. К древнейшим предкам человека относят парапитеков (дали начало гиббонам и орангутанам), дриопитеков (появились 17–18 млн лет назад и вымерли около 8 млн лет назад), рамапитеков (14 млн лет назад), австралопитеков (7–8 млн лет назад), а всего существовало около 20 родов и 30 видов антропоидов.

Два млн лет назад из австралопитеков выделился зинджантроп – человек умелый, обладавший такими признаками, как прямохождение, развитые кисти рук, умение применять и изготавливать каменные орудия труда (за что он и получил свое название).

В период от 2 млн лет назад до 140 тыс. лет назад ему на смену пришел архантроп, или человек прямоходящий, расселившийся по всей планете (Африка, Средиземноморье, Южная, Центральная и Юго-Восточная Азия). Он обладал достаточно крупным мозгом, ходил на двух ногах и владел зачатками речи. Иногда архантропов называют прогрессивными австралопитеками. К ним относят «китайского человека» синантропа, гейдельбергского человека и питекантропа.

В период от 250 до 40–25 тыс. лет назад появились собственно древнейшие люди – палеоантропы и неоантропы (неандертальцы и кроманьонцы). Неандертальцы обладали зачатками членораздельной речи, имели рост от 155 до 165 см и массу мозга до 1500 г, изготовляли одежду из шкур животных, жили в пещерах или строили жилища.

Долгое время считалось, что они оказались тупиковой ветвью и вымерли, не оставив потомства, а их место заняли более высокоорганизованные кроманьонцы, которые владели речью, абстрактным мышлением, изобрели искусство и религию, научились изготавливать качественные орудия труда из кремниевых пластин, а позже овладели лепкой горшков, жили в коллективе, четко разделяли функции в сообществе и перешли от биологической к социальной структуре.

Но по последним исследованиям на генетическом уровне оказалось, что неандертальцы прекрасно давали потомство от кроманьонцев и наоборот, в некоторых местах жили бок о бок, и у современного человека присутствуют гены неандертальца.

Около 40 тыс. лет назад появился современный тип человека .

89. Происхождение рас и этносов

Абсолютно все современные люди принадлежат к единому полиморфному виду Homo sapiens. Человечество исторически связано общностью происхождения, социально-психического развития, способностью к скрещиванию людей различных рас, сходным уровнем общего физического и умственного развития. Но внутри вида существуют расы (крупные группы людей, объединенные характерными внешними признаками – цветом кожи, разрезом глаз, структурой волос и т. п.) и этносы (более мелкие группы людей, объединенные социальными признаками и системой речи).

Антропологи выделяют три большие расы : австрало-негроидную, европеоидную и монголоидную, и несколько десятков рас второго и третьего порядков . Три большие расы возникли не одновременно и очень давно: первым произошло отделение около 90–92 тыс. лет назад большого монголоидного ствола, к которому относится и расовая группа америндов (американских индейцев); около 50 тыс. лет назад в Австралию проникли коренные австралийцы; разделение европеоидов и негроидов произошло около 40 тыс. лет назад, и негроиды заходили далеко на север; череп с австралоидными чертами был найден среди европеоидных на палеолитической стоянке под Воронежем.

Расы формировались под влиянием естественного отбора и дрейфа генов. В основном наличие тех или иных черт определялось климатическими условиями. Но европейский светловолосый и светлоглазый тип ученые объясняют близкородственными браками и малым количеством самой популяции.

Этносы не являются биологическим понятием. Это социальные группы людей, которых связывает общий уровень хозяйствования, культуры, обычаев, а также язык. Большие народы могут формироваться из различных рас, перемешиваться, приобретать какие-то отличительные черты, меняться внешне на протяжении истории, но к биологическому типу этносы не имеют никакого отношения. В то же время у локализованных этносов расовые черты могут приобретать характерную специфику, и чем изолированнее ареал проживания, тем более сходными чертами будет обладать тот или иной этнос, если он не получает притока крови извне.

90. Генетические основы эволюции

Выдвинутая Дарвином теория естественного отбора была воспринята негативно не только креацинистами, но и некоторыми учеными, не отрицающими самого естественного отбора. В теории были уязвимые места, мимо которых не смогли пройти ее критики. Одним из возражений было следующее: для того, чтобы передать полезные для эволюции признаки, должны встретиться две особи, обладающие ими в равной мере, поскольку при встрече особей, одна из которых ими не обладает, родится потомство, частично обладающее такими признаками или не обладающее ими вовсе, а поскольку в реальном мире такая встреча маловероятна, полезные признаки будут разбавляться и угасать. Возражение строилось на принципах здравого смысла. Будущее показало, что основой должен служить не здравый смысл, а генетика.

Исследования по генетике появились еще при жизни Дарвина. Начало генетике положил Мендель, который открыл закон о наследовании признаков. По этому закону механизм наследования не зависит от условий, но зависит от возможных комбинаций согласно теории вероятностей. Труд Менделя был издан малым тиражом и не стал известен общественности, и только в начале XX в. законы Менделя получили научное признание, а выделенные им признаки были названы генами. Главным постулатом теории стал тезис о примате в распределении генов математической вероятности, а не условий среды. Синтетическая теория эволюции (1920-е гг.), разработанная русскими учеными (Вавилов, Четвериков, Дубинин, Тимофеев-Ресовский, Кольцов) соединила принципы генетики с теорией эволюционного скачка (новые виды создаются не путем медленной эволюции, а переходом системы к точке бифуркации, то есть революционно). Доказательства они нашли в изучении процесса мутаций. Мутации, согласно их выводу из осуществленных экспериментов, возникают в результате молекулярной перестройки наследственной структуры (ДНК) а сами перестройки происходят как под действием внешних условий, так и по математической вероятности. Изучение мутаций легло в фундамент новой науки – молекулярной генетики, а выводы из исследований – в синтетическую теорию эволюции. По этой теории мутации в природе идут постоянно, во всех популяциях, процесс эволюции происходит в результате переработки мутаций под действием естественного отбора.

91. Мутации и два типа эволюции

Синтетическая теория эволюции в русле учения о мутациях выдвинула существование двух типов эволюции – микроэволюции и макроэволюции

1.  Микроэволюция занимается проблемами онтогенеза, то есть изучением развития отдельной особи от момента зачатия до ее смерти. Возникающие мутации рассматриваются на уровне вида, популяции (особей данного вида, обладающих единым генофондом и ареалом распространения). Микроэволюция рассматривает мутации генотипические (наследственные признаки, полученные потомством от родителей на уровне ДНК); фенотипические (возникшие под влиянием среды обитания), модификационные (возникающие в организме в результате неоднородности условий существования). Главное значение имеют генотипические мутации.

2.  Макроэволюция занимается проблемами филогенеза, то есть изучением развития всего органического живого мира на протяжении всей его истории.

В ходе исследований ученые выявили, что количество мутаций зависит от качества среды обитания (чем хуже среда, тем быстрее идет мутационный процесс и действует естественный отбор генного материала). Мутации происходят на разных уровнях: геномные (связанные с изменением количества хромосом), хромосомные (связанные с изменением структуры хромосом), генные (связанные с изменением структуры генов в молекуле ДНК), последние могут быть спонтанными (ошибки репликации ДНК, укорачивание генов и т. п.) и индуцированными (связанными с действием мутагенных факторов).

Именно спонтанные и индуцированные мутации связаны с появлением генов, приводящих к смерти ( летальные гены ) при рождении потомства с уродствами (без головного мозга, печени, сердца и т. п.). Кроме летальных существуют полулетальные гены , не вызывающие гибели (наличие двух сердец, дающих повышенную работоспособность; теплой шкуры, позволяющей животным не мерзнуть) и нейтральные , не оказывающие влияния на выживаемость.

В основном летальные гены выводятся из обращения по причине смерти особи до полового созревания. Но значительная часть негативных мутаций порождает рецессивные аллели (то есть разновидности генов, которые находятся в скрытом состоянии, пока не проявятся в потомстве при встрече с аналогичным аллелем). Положительные и нейтральные мутации сохраняются в доминантных генах, которые определяют передаваемые наследственные признаки.

92. Роль мутационного процесса в эволюции

Механизм передачи полезных генов всему виду до конца не изучен, но ясно, что в процессе усложнения живых организмов это происходило в результате как медленного усовершенствования и усложнения существующего вида, так и в результате качественного скачка. Для управления процессом эволюция как живая система имеет два способа регуляции: 1) возможность быстрого роста популяции, но значительное сокращение продолжительности жизни каждого существа; 2) низкий темп воспроизводства и значительное увеличение жизни каждой особи.

Первый способ помогает быстро выявить, оттестировать и закрепить качественно новые признаки, это механизм перехода от вида к виду. Второй способ работает в условиях стабильности популяции. (Как сценарий эволюции первый способ характерен для современных развивающихся стран – войны, эпидемии, прочие катаклизмы и как результат – высокая рождаемость и очень высокая смертность; второй способ характерен для стабильного европейского и американского общества – создание повышенной комфортности жизни, благосостояние, достаток, высокая продолжительность жизни и снижение умственного потенциала нации.)

Высокая рождаемость и высокая способность к мутациям еще не гарантируют, что достигается эволюционный рост вида. Для того чтобы мутации закрепились и способствовали прогрессу, их носители должны выживать. Поэтому к первому механизму эволюции полагается дополнение: набор генов для повышенного выживания, которые в стабильных условиях «спят», а в экстремальных включаются, включая и качественно новые признаки. Включение гена дает появление новых качеств, но сокращает длительность жизни.

Эволюция происходит этапами, ее этапы связаны не с накопившимися в генах «нововведениями», а с резко меняющимися условиями жизни. Толчком, запускающим ускоренный темп развития новых признаков при быстрой смене поколений, может быть глобальная катастрофа, потепление, похолодание, эпидемии, а также активные формы кислорода, уничтожающие не приспособленные к выживанию клетки.

93. Способы передачи генетической информации

Хранение и передачу генетической информации на молекулярном уровне осуществляет молекула ДНК, упакованная в хромосомах, каждая из которых представляет собой огромную молекулу, содержащую внутри около 10000 молекул ДНК, в свою очередь, имеющую более 20000 звеньев (нуклеотидов). У человека 46 хромосом с молекулами ДНК, имеющими вид двойной спирали, состоящей из нуклеотидов, которые собраны из азотистого основания, пятиатомного сахара (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты, но имеют разные основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин – и располагаются в молекуле в различных последовательностях. Это материальный носитель для записи информации о качествах, присущих всей системе.

Генетическая информация может передаваться тремя способами: с помощью митоза, мейоза или биосинтеза. Митоз характерен для бесполого размножения клеток и контролирует эмбриональное развитие, рост организма, восстановление органов, тканей после повреждения и выглядит как деление родительской клетки на две идентичные дочерние клетки. Если репликация идет с ошибками, молекула ДНК исправляет ошибку, при помо щи особых ферментов отделяя неправильные участки и достраивая на их месте правильно организованные цепочки звеньев.

Мейоз называют консервативной наследственностью, поскольку ошибки репликации при мейозе наименее возможны. Мейоз характерен для полового размножения и представляет собой процесс слияния двух родительских клеток – гамет в одну клетку будущего эмбриона – зиготу.

Половые клетки содержат по половинному набору хромосом, в результате чего зародыш получает набор признаков от матери и набор признаков от отца. В отличие от остальных клеток тела, половые клетки не размножаются митозом, они могут только сливаться путем мейоза. Мейоз поддерживает постоянство вида и сортирует гены в популяции, закрепляя мутации.

При репликации ДНК одни ферменты активируют автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать ген, затем на стадии транскрипции образуется одноцепочная молекула и происходит перенос кода ДНК с помощью РНК, которая подклеивается к нити ДНК, и после этого идет стадия трансляции – то есть синтез белка на основе генетического кода. Если молекула собрана с ошибками, синтез белка будет тоже идти с ошибками.

94. Эволюция как генетический процесс

Генетическая теория эволюции рассматривает эволюцию как процесс появления и усложнения основы жизни – молекулы ДНК. Появление первой молекулы ДНК при этом происходило по следующему сценарию: сначала образовались простые молекулы аминокислот, одна из четырех молекул аминокислот «нашла» себе аналогичную молекулу аминокислоты и слилась с ней, затем к этой паре присоединилась третья, четвертая и т. д. молекулы аминокислот. Результатом сборки была молекула ДНК, пока достаточно примитивная, но способная к самоорганизации: она могла сама себя строить и создавать свои дубликаты.

Ведущий специалист по генетической эволюции Ч. Докинс считает, что самая ранняя форма естественного отбора состояла просто в отборе стабильных форм и отбрасывании нестабильных. Первая ДНК была несложной и устойчивой молекулой, главным ее отличием от прочих молекул была способность к самосборке и репликации. Блоки для сборки копии содержались в «первичном бульоне», в той среде, где возникла молекула ДНК.

Молекула подбирала себе подходящий строительный блок, просто оказываясь рядом с ним, притягивала его к определенному

основанию и тот самостоятельно прикреплялся, блоки располагались в той же последовательности, как и блоки репликатора. В результате получалась устойчивая цепочка блоков. Далее процесс мог идти в двух направлениях – либо молекула продолжала создавать слои цепочек (таким образом образуются кристаллы), либо она могла разойтись на две (репликатор и копия). Молекула разделилась, и каждая из половин стала создавать свои копии, в результате появилась жизнь. До второй половины XX в. считалось, что для создания молекул ДНК необходимы особые условия – не слишком высокая температура, наличие воздуха и воды. Сегодня известно, что молекула ДНК переносит как сверхвысокие, так и сверхнизкие температуры, ей для образования не нужны кислород и вода. А закрученность аминокислот в левую сторону говорит об их космическом происхождении: они образовались при исключительно низких температурах – намного ниже температуры замерзания воды.

95. Эволюция человека на современном этапе

По мере развития человечества как общественного явления биологические факторы эволюции отступают и слабеют, на первый план начинают выходить социальные факторы. Но это не означает, что биологические факторы уходят совсем, и современный человек не подвержен эволюции. Естественный отбор в том виде, в каком он проходил у древнего человека (выбор самой плодовитой самки, самого сильного и отважного самца, способного прокормить самку и ее потомство, ориентируясь на феминные и маскулинные признаки), отошел в прошлое, но в то же время он в измененном виде происходит и сегодня, поскольку составление пары происходит на основе биологических предпочтений (а сюда как раз входят высшая феминность и высшая маскулинность).

До прошлого века огромную роль играла изоляция отдельных популяций, но с глобализацией мировой жизни изолированность популяций сохранилась только у народов, стоящих на примитивном уровне развития (пигмеи Африки, каннибалические племена Новой Зеландии и т. п.). Естественный отбор в виде волн сокращения популяции в результате эпидемий резко снизился. И на первое место выступил мутационный процесс, который влияет на формирование генотипа в том или ином районе.

Мутационный процесс в современном мире значительно усилен загрязнением окружающей среды (выбросы химических веществ, отходы добывающих производств, внесение пестицидов в сельском хозяйстве, аварии в газовой и нефтяной отраслях, радиоактивное заражение местности, отравление среды в процессе современных военных действий и т. п.). Мутационный процесс происходит в отрыве от естественного отбора, поскольку медицина научилась спасать младенцев, которые при естественном отборе должны погибнуть, и лечить половозрелых людей, которые передают негативные мутации потомкам. Происходит также расовое смешение из-за межрасовых браков, расы теряют характерные черты, метисируются, и в то же время происходят явления, общие для всех рас – процессы грацилизации (снижение общей массивности скелета) и акселерации (ускорение развития всего организма).

96. Биосоциальные основы поведения

Вопрос о биосоциальных основах поведения относится к биоэтике, современной науке, которая занимается изучением сложных моделей поведения животных и человека (как высшего животного). Первым биоэтические законы сформулировал Конрад Лоренц, который рассматривал мораль животных как естественным образом сформированный (врожденный) запрет следовать стереотипам поведения в случаях, когда следование инстинкту может оказаться вредным и вводится в действие механизм его торможения.

Поведенческие признаки человека в этом плане тоже рассматриваются с позиции биоэтики. Существует ряд общественных социальных норм, которые оформлены не в виде законов, а в виде обычаев или религиозных предписаний. К таковым относятся запреты древнего общества, хорошо известные по Библии (не убий, не укради, не возжелай жены ближнего и т. п.). Законы биологического мира не оформлены словесно, но оформлены на поведенческом уровне. Конрад Лоренц называет следующие:

1) «не убей своего»;

2) «нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки»;

3) у «хорошо вооруженных» хищных животных существует запрет применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими (у «слабо вооруженных природой» существ и у человека этот врожденный запрет развит плохо);

4) запрет «нельзя бить того, кто принял позу покорности» ярче всего выражен у «хорошо вооруженных» хищников; согласно модели поведения, проигравшее в схватке животное подставляет победителю самое уязвимое место;

5) «победа с тем, кто прав»; животное, защищающее свою территорию, свою нору, самку, детенышей, чаще выигрывает в конфликте с более сильным и агрессивным соперником, так как его агрессивность сдерживается запретом – проникновение на чужую территорию, неправомерное действие (человек в этом случае применяет нормы закона и ссылается на неприкосновенность жилища, личной жизни и имущества).

Как и у человека (преступника), у животных запрет не всегда действует, тогда животное становится опасным для других. Правила поведения касаются только своей группы, своего вида, а не отношений с другими животными, которые могут рассматриваться либо как добыча, либо как опасность.

97. Место человека в биосфере

Термин «биосфера» в точном переводе обозначает сферу жизни. Когда в 1875 г. австрийский палеонтолог Э. Зюсс ввел его в обиход, он подразумевал под этим термином совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, то есть живую природу; позже под биосферой подразумевались связи живого мира с географическими, геологическими и космическими процессами, зависимость живой природы от сил и веществ неорганического мира.

В современном понимании термин «биосфера», согласно учению И. Вернадского, это совокупность живых и неживых организмов в своеобразной оболочке планеты, включающей нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы от 10 км вглубь земли и до 33 км над ее поверхностью. Рассматривая химический состав поверхности Земли, Вернадский пришел к выводу, что там содержатся все химические элементы, которые входят в состав живых организмов, необходимые вещества для выработки ими энергии, и не случайно он назвал живые организмы механизмами превращения энергии .

Растения (автотрофы) превращают энергию их неорганических веществ под воздействием солнечного света, живые (гетеротрофные) организмы – путем расщепления органических веществ. Человек – существо гетеротрофное, для питания он преобразует сложные органические вещества (части растений и животных). В то же время человек для своих нужд использует и накопленный в биосфере запас неорганических веществ, но перерабатывает его при помощи механизмов.

Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов, и человек в этой цепочке занимает верхнее положение, но тоже становится пищей (после своей смерти).

Трофическая цепочка формируется из производящих автотрофов и пользующихся ими как пищей гетеротрофов, последние разделяются на травоядных животных, первичных хищников (поедают травоядных) и вторичных хищников (поедают травоядных и первичных хищников). Кроме них существуют редуценты (микроорганизмы, бактерии, грибы), которые разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО2 и минеральных удобрений.

98. Экологические проблемы современного человечества

Любое условие среды, вызывающее прямое или косвенное воздействие на живые организмы на любой из фаз его индивидуального развития, называется экологическим фактором. Организм, вступая с экологическим фактором в обратную связь, реагирует на него специфичными приспособительными реакциями. В современной науке принято делить экологические факторы на факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).

К абиотическим факторам относятся климатические (солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление); химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов); эдафогенные, или почвенные (механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость, высота над уровнем моря, рельеф, экспозиция склона).

К биотическим факторам относятся фитогенные (влияние растительных организмов); зоогенные (влияние животных организмов); микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии); антропогенные (деятельность человека).

Каждый живой организм занимает в биосфере определенное место, он связан с другими организмами, включен в пищевую цепь, выбирает условия, которые понимает как комфортные, и стремится избежать лимитирующих факторов, которые мешают его жизнедеятельности, то есть занимает свою экологическую нишу. Человек тоже принадлежит биосфере, но с развитием технологий и ростом популяции его деятельность становится источником опасности для всей живой природы, поскольку он нарушает связи, установившиеся в биосфере, загрязняет землю, воздух и воду, способствует уничтожению видов животных и растений, повышает кислотность почвы, нарушает температурный баланс (парниковый эффект), изменяет состав атмосферы и разрушает озоновый слой, предохраняющий планету от радиации, истощает минеральные и водные ресурсы, сокращает площади плодородных земель, использует во время военных действий и производит для этих целей химически, биологически и энергетически опасные вещества. Ввиду такой безнравственной деятельности биосфера стала утрачивать свои компенсационные свойства, и человеку необходимо задуматься о грядущей экологической катастрофе.

99. Негэнтропия и экологические проблемы

Все экологические проблемы связаны с высокой активностью человеческой деятельности. Человек стремится как можно эффективнее использовать биосферу, и под этим он понимает – как можно больше добыть полезных ископаемых, освоить земель, улучшить и облегчить свою жизнь. Естественно, освоение богатств планеты происходит более чем хищническим образом, потому что человек не учитывает своего вклада в негэнтропию: загрязнение окружающей среды обусловлено термодинамическими ограничениями, преодолеть которые частично очень сложно или очень дорого, а полностью – невозможно.

Основные причины загрязнения окружающей среды:

1. Неэффективное использование источников энергии – либо устаревшие способы производства энергии, либо использование «деградированных форм энергии» для получения энергии более высокого качества – добывая углеводороды (нефть, газ и уголь), человек разрушает упорядоченность энергии химических связей высокомолекулярных соединений, созданную самой природой с помощью солнечного света.

2. Постоянный рост производства энергетической, добывающей и перерабатывающей

промышленности для удовлетворения потребностей современного общества, образующие своего рода замкнутый круг проблем: растет промышленное производство – растет потребление энергии, растет производство энергии – растет промышленное производство.

3. Использование для получения энергии неэффективных преобразователей, то есть «грязная» переработка – электростанции на угле, машины на продуктах нефтепереработки и т. п. вместо использования «чистой переработки» (энергия ветра, энергия солнца, энергия атома, энергия воды).

4. Создание «отходов производства» из-за отказа поставщиков энергии перерабатывать вторичные продукты, от которых проще избавиться.

Эти причины увеличивают негэнтропию, но общество очень сложно перестроить, выработать в нем экологичность мышления и научиться использовать запасы негэнтропии.

Пути исправления ошибок таковы: 1) использовать энергию приливов, водопадов и т. п. альтернативных источников; 2) преобразовывать продукты деградации в менее опасные; 3) наладить автоматизированное слежение и контроль за параметрами окружающей среды; 4) ввести электронный документооборот; 5) стремиться к разнообразию экосистем, а не к их истощению.

100. Перспективы развития микробиологии

Микробиологией называется наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли), их систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, распространение и роль в круговороте веществ в природе, а также практическое значение.

Микробиология сформировалась как наука благодаря работе Л. Пастера, посвятившего жизнь изучению микроорганизмов, вызывающих заболевания человека; он разработал метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов, ввел в обиход стерилизацию медицинских инструментов, способы безопасной консервации и пастеризации пищевых продуктов, доказал значение микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

За последующее столетие микробиология превратилась в одну из ведущих наук, в которой обособился ряд разделов микробиологии: общая (изучающая фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов); промышленная (занимающаяся микробиологическим синтезом антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т. п. и процессами получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений); сельскохозяйственная (занимающаяся изучением плодородия почвы и заболеваниями растений); геологическая (проводящая фундаментальные и прикладные работы в области образования и разрушения полезных ископаемых); водная (проводящая исследования водных источников и контроль за качеством воды); медицинская (исследующая микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и способы борьбы с болезнями).

Бурное развитие современной микробиологии связано с открытиями в физике, химии и биологии, давшими новые методы исследования, с расширением практического применения микроорганизмов, решением ряда насущных проблем в генетике, биосинтезе, медицине. Сегодня на первый план выступило практическое применение микроорганизмов для медицинских целей, сельского хозяйства, переработки продуктов отхода, разложения ядовитых веществ. И с каждым годом все новые и новые области требуют применения в них результатов микробиологических исследований.

101. Перспективы развития инженерной энзимологии

Инженерной энзимологией называется научно-техническое направление, связанное с интенсификацией биотехнологических процессов и конструированием органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся внутри клеток.

В основе инженерной энзимологии лежат принципы органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии. Эта наука целиком и полностью занимается практическими разработками – применением ферментных катализаторов в биотехнологических производствах, созданием новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе, решением фундаментальных проблем на основе иммобилизованных ферментов. Она способствует созданию новых высокотехнологичных продуктов, улучшению качества уже существующих, а также ищет пути более экономичного применения биотехнологий.

Ферменты, разработкой которых она занимается, находят применение в пищевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т. д. До последнего времени их применение тормозилось крайней дороговизной получения, но теперь найдены способы значительно удешевить процесс, созданы биокатализаторы нового поколения (иммобилизованные ферменты), что способствует расширению сфер их применения.

Огромные перспективы имеет применение иммобилизованных ферментов в медицине для лечения дегенеративных, генетических и некоторых других болезней, требующих введение в организм отсутствующего в нем фермента, необходимого для нормальной работы органов. Прежде вводили чужеродные бактериальные ферменты, что нередко приводило к аллергическим реакциям или не было достаточно эффективным (чужеродные ферменты быстро разлагаются). Применение иммобилизованных ферментов позволило проблему решить: такие ферменты стабильны и не вступают в противодействие с иммунной системой человека. Они используются для проведения диализа (аппарат «искусственная почка»), для растворения тромбов в сосудах и т. п. С каждым годом расширяется область их применения.

102. Перспективы развития генной инженерии

К XXI в. на первый план вышли новые открытия в биологии, связанные с генетическими исследованиями, которые породили развитие генной инженерии и генной терапии.

Под генной инженерией понимается изменение хромосомного набора клеток с помощью биохимических и генетических методик и «переделка» наследственного материала в тех или иных целях. Генную инженерию называют иначе технологией рекомбинантных ДНК. Молекула ДНК является материально-информационной структурой клетки, где записаны параметры существующего организма. В генной инженерии происходит изоляция участков ДНК, соединение их в новых комбинациях, перенос из одной клетки в другую, замена «испорченных» участков и т. п., в результате чего достигается изменение данного генома.

Генная инженерия берет определенный участок ДНК у одного вида живых существ и внедряет в клетки другого вида, получая животное или растение с другими качествами. Ученые научились разрезать ДНК произвольно или в определенных участках гена, выделять сегменты ДНК, размножать или склеивать с ДНК других клеток и организмов, то есть создавать живые существа, которые принято называть химерами . Это позволяет преодолевать невозможность получения потомства от разных видов естественным путем, включая животные виды с растительными добавками, растительные с животными, а также растительные или животные виды с включениями ДНК микробов или вирусов. Для переноса информации используется прямой перенос нужного гена в яйцеклетку, перенос с помощью вируса, использование неспециализированных стволовых клеток эмбриона. Животные или растения, полученные в результате такой процедуры, называются трансгенными . В некоторых случаях осуществляется и перенос ДНК человека для получения необходимых в медицине белков, антител, ферментов. Разработаны методики внедрения нужных генов при помощи инъекции или генной пушки, синтеза генов и внедрения их в бактерии и т. п. При помощи разнообразных методов были получены плохо синтезируемые обычным способом вещества – инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. Новая технология имеет большие перспективы применения в медицине (создание вакцин, лечение болезней) и в сельском хозяйстве (новые сорта растений, устойчивых к засухе, холоду, болезням, вредителям).

103. Опасности развития генной терапии

Под генной терапией понимается система методов, позволяющая вводить участки здоровой ДНК в организм больного человека для лечения и профилактики ряда патологических процессов. Этим способом пытаются найти способ лечения рака, СПИДа и прочих болезней, не поддающихся успешному излечению. Существуют как сторонники, так и ее яростные противники. Противники считают, что генную терапию могут использовать нечистоплотные дельцы или террористы, заинтересованные в создании новых генетически модифицированных микроорганизмов, вызывающих новые заболевания. Они опасаются и того, что человек еще плохо понимает специфику генетического материала и генная терапия может принести вместо пользы вред. Особенные опасения вызывает самый распространенный и простой способ переноса участка ДНК с помощью вируса, ориентированного на перенос информации и саморепликацию в теле «хозяина», используется обычно измененный вирус иммунодефицита с удаленным участком, ответственным за размножение.

Противники генной терапии боятся, что на каком-то этапе вирус выйдет из-под контроля, начнет не переносить нужный ген, а реплицировать самого себя в огромных количествах, и вместо получения безотказного метода исправления генетических ошибок можно получить надежный метод уничтожения человечества. Пока это проблема будущего, потому что вирус способен переносить нужную информацию, но иммунная система воспринимает его как врага и начинает уничтожать «исправленные» клетки, так что ученые бьются над проблемой избирательного выключения иммунитета на время лечения.

Много опасений вызывает возможность случайного перехода измененного вируса во внешнюю среду, потому что при огромной изменчивости вирусов существует возможность получения путем скрещивания с «природным» вирусом аналогичного типа заболеваний со стопроцентной летальностью, против которых медицина окажется бессильной. Не изучены и свойства модифицированных животных и растений, они признаны безопасными, но для чистоты эксперимента требуется длительный срок, поскольку результаты могут проявиться у следующего поколения людей или даже через поколение. Ученые стремятся сделать генную терапию безопасной, но кто прав, покажет будущее.

104. Специфика развития позитивной евгеники

С термином «евгеника» у человечества связаны не самые приятные ассоциации. Под евгеникой понимается учение о средствах, путях и условиях изменения наследственности человека и усовершенствовании его как биологического вида. Впервые этот термин был введен двоюродным братом Дарвина Ф. Гальтоном, который мечтал о возрождении деградирующей (по его мнению) белой расы. В 1930-х гг. в Европе и Америке это учение получило широчайшее распространение. О деградации человека как вида говорили многие, поэтому евгенические принципы имели широкий успех, на научные изыскания отпускались огромные средства, евгенические программы пропагандировались государствами, и ничего плохого в улучшении человека ученые не видели. Евгеника росла и формировалась, становилась наукой, на ее базе были созданы математическая генетика популяций, генетика человека, медицинская генетика, экспериментальная генетика популяций.

Большое распространение получила евгеника в СССР, где благодаря работам Кольцова делались попытки ввести евгенический учет и евгенический контроль как средство профилактики наследственных заболеваний; во Франции проводились аналогичные работы для охраны материнства и детства.

Однако вместе с положительными были и отрицательные моменты: опираясь на выводы евгеники, в США были приняты программы принудительной стерилизации, велась борьба с «дегенеративными» неграми и цыганами, и окончательный удар по евгенике был нанесен в гитлеровской Германии, где результаты евгенических обследований становились показаниями для уничтожения неполноценных рас (евреи, цыгане) или людей с врожденными уродствами и психическими заболеваниями.

После нюрнбергского процесса евгенические программы во всех государствах были свернуты. Евгеника была реабилитирована только в последнее десятилетие XX в., когда на волне успеха генной инженерии заговорили об улучшении физических и умственных способностей человека. Это направление получило название позитивной евгеники, но на практике не применяется – мало опыта и пока неясно, каким образом отразится исправление одного признака на остальных качествах генома.

105. Перспективы развития клонирования

Клонированием называется точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий, каждая из которых несет идентичный набор генов и обладает идентичными наследственными качествами. Копии именуются клонами , то есть (в точном переводе) повторениями. Клонирование живых объектов – новая и еще не разработанная полностью технология, вызывающая массовый интерес у общественности и огромные проблемы у ученых. Базой клонирования являются генетика и генная инженерия. В генетике клонирование считается рутинной процедурой, там оно используется при партеногенезе (бесполом размножении). Таким образом, например, были получены клоны шелкового шелкопряда. В эмбриологии клонирование производилось на раннем процессе развития отдельной особи морского ежа (разбором ежа на отдельные клетки-бластомеры).

Но клонирование животных более высокого развития, особенно млекопитающих, стало возможным только в конце XX в. Возможность клонирования заложена в репродуктивной системе человека: при некоторых обстоятельствах у человека развиваются и рождаются идентичные близнецы. Очень редко возможен и партеногенез, таких случаев в мире зарегистрировано 16.

В ходе научного эксперимента первой в мире была клонирована овечка Долли, но оказалось, что особые участки «возраста» клетки у нее той же длины, как и у образца клонирования. Овечка прожила меньше, чем полагается, потому что родилась «уже старой», хотя она развивалась так же, как неклонированные овцы. Клонирование ставит много научных и этических проблем.

Из-за этических проблем почти во всех странах клонирование человека запрещено. Существуют и технические проблемы клонирования человека: клон, чтобы он превратился в человека, необходимо подсадить суррогатной матери, а в силу плохой выживаемости – нескольким или нескольким десяткам матерей; плохо изучено, почему теломеры становятся короткими, то есть непонятно, сколько проживет такой клон. Это сразу ставит барьер для бесплодных женщин, желающих иметь ребенка (проще использовать банк спермы). Главным противником клонирования человека выступает церковь. В то же время клонирование может использоваться для создания банка органов и тканей, ученым уже удалось вырастить кожу и глаз, и работа идет именно в этом направлении.

106. Расшифровка генома человека

Программа расшифровки генома человека была запущена в 1989 г. в СССР, в 1990 г. в США, в ней участвуют более 20 стран и отпускаются огромные средства. К XXI в. геном был практически расшифрован, то есть выявлены все гены и порядок их расположения, но назначение отдельных генов и целых участков ДНК пока еще не исследовано до конца. Главный дешифратор программы Ф. Коллинз назвал 10 основных выводов, к которым пришли ученые в ходе дешифровки:

1) гены располагаются в хромосомах достаточно скученно, собираясь в группы, между которыми находятся обширные незанятые области, названные Коллинзом «пустынями»; число генов в хромосомах неодинаково, наибольшее их количество собрано в 19-й хромосоме;

2) общее количество человеческих генов оказалось меньше предполагаемого и составило 30000, столько же, сколько у горчицы;

3) на один человеческий ген приходится больше разновидностей белка, чем у примитивных организмов, в соотношении 3:1;

4) человеческие белки в сравнении с белками других организмов структурно более сложны;

5) более 200 генов напрямую унаследованы нами от бактерии;

6) повторяющиеся последовательности нуклеотидов, которые раньше рассматривались как бесполезные, могут оказаться «картой памяти» эволюции и рассказать о 800 миллионах лет биологической жизни; 7) значительная часть нуклеотидных последовательностей собирается вокруг зон, богатых генами, средняя их длина 200–300 базовых нуклеотидов; 8) уровень мутаций у мужчин в два раза превышает аналогичный показатель у женщин, что доказывает прогрессивную роль мужских хромосом; 9) все представители рода человеческого на 99,9 % идентичны по ДНК; 10) со времени публикации «рабочей карты» генома было выявлено множество генов, связанных с заболеваниями. Проект «Геном» принес практическую пользу всему человечеству. В итоге получено огромное количество информации. Ученые выяснили, какие локусы и в какой последовательности расположены в ДНК, но пока неясно, почему именно в этой последовательности и что именно обозначает каждый отрезок; только о 5 % ДНК можно однозначно сказать, что их назначение выяснено. Эта работа займет десятилетия.

107. Перспективы развития биоэтики

Термин «биоэтика» был предложен В. Р. Пот! тером в 1969 г., когда возникла необходимость объединить моральные проблемы естественных наук в единый комплекс. В круг обсуждаемых и разбираемых вопросов попали те, которые в научном плане не рассматриваются, они связаны с моральной оценкой тех или иных технологий и пониманием жизни как гуманитарного явления: проблемы допустимости эвтаназии, проблемы установления точного момента смерти, с которого возможно брать органы для трансплантации, проблемы допустимости абортов и т. п.

В малом круге вопросов биоэтика решает вопросы между врачом и пациентом, в большом круге – вопросы между человечеством и научным знанием: ряд аксиологических (ценностных) проблем профессиональной деятельности, смежной с врачебной, ряд социальных проблем, связанных с системами здравоохранения, или проблем, касающихся отношения человека к животным и растениям. Это большой комплекс сложных и общественно актуальных вопросов, которые вызывают яростные споры, как в обществе, так и в самой научной среде.

Биоэтика ориентируется на успехи современной биологии и медицины при обосновании или решении моральных проблем, возникающих в ходе научных исследований. В то же время предметом ее исследования являются вечные моральные вопросы, встающие перед людьми. В будущем биоэтика должна занять одно из ведущих мест, ее принципы морального (гуманитарного) отношения к предмету исследования обязаны стать направляющим вектором развития науки, поскольку одна мораль без науки приводит к суевериям и религиозному доктринизму, а одна наука без морали приводит к практике использования научного знания в фашистской Германии с ее лагерями смерти, где блестящие ученые, забывшие о гуманитарной основе знания, применяли методы бесчеловечных исследований на живых людях и уничтожали их во славу науки.

Поскольку проблемы, анализируемые биоэтикой, порождены областью современных и перспективных биологических и медицинских научных исследований, ей в будущем будет уделяться огромное внимание, важнейшей задачей станет пробуждение ответственности ученых за выбор способа и методики исследований, за возможный вред, который научные изыскания могут принести.

108. Понятие ноосферы

Размышляя о сущности процессов, происходящих на Земле, Вернадский в 1920-е гг. пришел к мысли, что роль человека во влиянии на планету связана не с ростом популяции (общей массой популяции человека как биологического вида, влияющего на геохимию Земли), а с его практической производственной деятельностью. Ни одно иное живое существо не ведет деятельность, так радикально изменяющую лицо планеты. Ученый пришел к выводу, что эта деятельность человека переводит биосферу на качественно иной уровень, который он назвал ноосферой . Главной чертой этого понятия он считал поддержание данной самоорганизующейся системы в глобальном равновесии путем сочетания естественно-природных и социально-исторических законов.

И. Вернадский считал, что биосфера стала превращаться в ноосферу с приходом человека и является высшей ступенью развития, поскольку человек принес в немыслящую природу умение мыслить, осуществляя изменения, которые ему желательны; материя стала мыслящей, высокоорганизованной, и человек как высшее существо обязан заботиться о своей планете, потому что в силу разумности обязан отвечать за сохранение и дальнейшую эволюцию всего живого.

Вернадский выделял шесть необходимых условий для превращения биосферы в ноосферу:

1) человечество становится единым целым и заселяет всю планету (доминирующий вид);

2) средства связи и обмен информацией модифицируются настолько, что осуществляются мгновенно;

3) достигается реальное равенство всех людей перед законом независимо от их расовой, этнической принадлежности, вероисповедания, и это закрепляется в сознании человека как непреложный закон;

4) вследствие реального равенства возрастает общий уровень жизни, народные массы получают возможность влиять на общественные и государственные дела;

5) подъем уровня жизни осуществляется с ускоренным развитием энергетики, включая открытие и использование новых видов энергии;

6) войны исключаются как инструмент регулирования взаимоотношений между государствами.

Вернадский считал, что переход биосферы в ноосферу возможен, поскольку человечество стало силой в планетарном масштабе, в основном познало законы природы и может построить общество на гуманитарных принципах.

109. Понятие симметрии и асимметрии

Симметрией называется вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое, при хорошем соотношении пропорций. Геометрическая симметрия относится к пространственным отношениям, акустическую симметрию рассматривает гармония в музыке и т. п. Геометрия оперирует зеркальной симметрией, то есть симметрией, возникающей при вращении или отражении объекта (если количество и размер части предмета справа и слева, как на плоскости, так и в объеме, одинаковы, то этот предмет относительно центральной оси симметричен; если отраженный предмет или луч света совпадают при наложении в повороте на 180 градусов, то они симметричны).

Чем больше осей симметрии существует у предмета, тем более он симметричен: круг более симметричен, чем квадрат или равносторонний треугольник, поскольку у круга существует столько осей симметрии, сколько прямых можно провести через его центр.

Симметрия показывает порядок, равновесное состояние, устойчивость, пропорциональность и соразмерность между всеми частями целого. К геометрической симметрии относятся однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Кроме геометрической существует динамическая, или внутренняя, симметрия , которая относится к свойствам физических взаимодействий: симметрии электрического заряда, симметрии спина и т. п., то есть частный случай геометрической симметрии.

Асимметрией называется нарушение пропорциональности отдельных частей целого, не позволяющее сложить данный предмет по центральной оси до полного совпадения. В этом плане несимметричными являются многоугольники с неравным числом сторон или разной их длиной, сложные геометрические фигуры и т. п.

Асимметрия показывает нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между частями целого. Асимметрия может быть геометрической (пространственной) и динамической: к первой относятся неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т. д., к последней – различия между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т. д.

В физике существуют калибровочные симметрии , связанные с инвариантностью относительно изменения масштаба, уровня, сдвига системы координат.

110. Понятие симметрии в физике

Симметрия присуща не только «идеальным» фигурам геометрии, но и многим физическим величинам и явлениям. По теореме Нетер следует: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. В качестве преобразований могут рассматриваться следующие:

1) сдвиг начала координат, связанный с физической эквивалентностью всех точек пространства (симметрии относительно переносов в пространстве);

2) поворот трех осей координат, связанный с однородностью свойств пространства во всех направлениях (симметрия относительно поворотов);

3) сдвиг начала отсчета по времени, связанный с равномерным течением времени во всех инерциальных системах отсчета (симметрия относительно переноса по времени);

4) равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, связанное с эквивалентностью систем (изотропность пространства-времени).

Данные четыре вида симметрии считаются универсальными , поскольку все физические законы в них выполняются независимо от перехода в другую систему отсчета. Среди выполняемых законов следующие:

1. Закон сохранения импульса (следствие однородности пространства).

2. Закон сохранения момента импульса (следствие изотропности пространства).

3. Закон сохранения энергии (следствие однородности времени).

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства – времени).

Данные виды симметрии относятся к геометрическим.

Существуют динамические симметрии, для которых действуют: закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа лептонов и антилептонов не меняется) и др. С законом сохранения электрического заряда связана электромагнитная калибровочная симметрия , сущностью которой является неизменность силовых характеристик электромагнитного поля и магнитной индукции при масштабных преобразованиях.

111. Понятие симметрии в биологии

В живой природе полной геометрической симметрией обладают, как правило, наиболее простые организмы. Это микроорганизмы, живущие в водной среде, близко к поверхности, и имеющие шарообразную форму. Идеальная геометрическая форма тела сформировалась у них, поскольку оказываемое на тело давление водной среды благоприятно во всех направлениях. У организмов, живущих на глубине, форма тела сплющена по толщине, поскольку на них действует давление воды, и чем глубже ареал распространения, тем более плоскую форму имеет тело. Но тем не менее органы этих организмов расположены зеркально-симметрично.

Сухопутные животные также обладают симметрией тела, хотя чем более высокоразвито живое существо, тем относительнее симметрия между левой и правой частями тела. Наибольшую симметрию имеют конечности, хотя при более глубоком рассмотрении их величина ненамного отличается. В то же время в процессе эволюции расположение внутренних органов несимметрично (сердце расположено слева, кишечник закручен влево).

Зеркальной асимметрией обладают также молекулы органических веществ, из которых построено тело живых существ или которые синтезированы организмом. Их также называют хиральными , причем хирально чистыми в отличие от молекул неживых, хирально нечистых. Хиральностью живые молекулы отличаются от синтезированных искусственно органических молекул, которые имеют зеркальную симметрию или могут быть спонтанно ассиметричными. Ассиметричные неживые молекулы, которые тоже встречаются в природе, могут иметь как левую, так и правую асимметричность.

В отличие от них живые молекулы обладают либо только левой, либо только правой ориентацией: молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты имеет спираль, закрученную вправо, фруктоза – левонаправленная (вращается влево) глюкоза – правонаправленная (вращается вправо) и т. п.

Был выведен важнейший признак живых систем на молекулярном уровне: живые организмы способны создавать только хирально чистые молекулы, именно этим на биохимическом уровне живое отличается от неживого. Следовательно, наличие хиральности – главный показатель живой материи.

112. Нарушение симметрии самоорганизующихся структур

Считается, что отход от симметричной организации стал толчком для усложнения материи и развития жизни. В основе синергетики лежит мысль, что в основе формирования Вселенной было спонтанное нарушение симметрии первичного вакуума, существовавшего до Большого Взрыва, именно нарушение симметрии сделало физический вакуум неустойчивым и заставило его раздуваться, то есть начался процесс гравитационного отталкивания и расширения вакуума. Вселенная разогрелась, расширилась, потеряла симметричность, потом начался процесс падения температуры, и Вселенная прошла ряд точек с еще большей потерей симметрии (так называемые точки бифуркации – ветвления), которые синергетика выстраивает согласно схеме:

1) нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами положило начало разделению материи на вещество и поле;

2) нарушилась симметрия между кварками и лептонами; между сильным взаимодействием и электрослабым взаимодействием; между веществом и антивеществом: возросло количество частиц вещества и Вселенная оказалась построенной из вещества;

3) нарушение симметрии электрослабого взаимодействия проявилось в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием;

4) возникли протоны и нейтроны.

Далее симметрия все более терялась, давая начало химическим элементам (водороду, гелию, ионизованному газу), звездам, галактикам и т. п. Плотность энергии вакуума уменьшалась, она уходила на создание микрочастиц, которые получали массу и заряд. В результате этих процессов была рождена Вселенная с теми свойствами, которыми она обладает и сегодня. На молодой Земле процесс зарождения жизни начался с утраты симметрии и создания хирально чистых органических молекул.

Причиной появления асимметрии называют радиацию, температуру, давление, воздействие электромагнитных полей и т. п. Появление органических структур, сходных с генами, стало формой самоорганизации живой материи и, как считают, произошло не как эволюция, а как качественный скачок в развитии. Этот скачок принято называть Большим Биологическим Взрывом (явление, аналогичное рождению Вселенной). В дальнейшем органическая жизнь стала усложняться, все дальше уходя от симметрии.

113. Теория самоорганизации как синтез естественнонаучных знаний

В последнее время ведущее место заняла синергетика – наука, изучающая принципы формирования и развития самоорганизующихся систем. В ее основе лежат многочисленные открытия и гипотезы современного естествознания. В основном, предметом исследования синергетики являются биологические и социальные системы (эволюция Вселенной, деление клеток, функционирование мозга, образование речи и языков, формирование общественного мнения, естественный отбор и т. п.).

Основателями синергетики были Пригожин и Хакен, которые ввели понятие самоорганизации для неравновесной термодинамики. Они рассматривали самоорганизацию как коллективное взаимодействие частиц в открытой системе, приводящее при дальнейшем развитии к возникновению нового порядка в расположении данных частиц в данной системе; под новым порядком они понимали качественное изменение самой системы, ее структуры и свойств.

Условиями для самоорганизации являются открытость системы, большое количество составляющих (для микромира – частиц), неравновесность, то есть балансирование системы далеко от точки равновесия, почему ее энтропия не достигает максимального значения. Так как самоорганизация является ведущим принципом реальных неравновесных систем, выводы Пригожина и Хакена были использованы для систем с большим числом участников – природы как единого комплекса живых существ и общества как комплекса социальных связей. Распространение физической теории на развитие общества сомкнуло в синергетике естественные и гуманитарные науки, позволив рассматривать мир как единое целое в рамках одной теории.

Любая самоорганизующаяся система проходит круг рождения, развития и преобразования (или гибели): источником рождения служит ей некая иная система, достигшая точки перехода, затем система начинает эволюционировать, стремясь перейти от упорядоченности к хаосу, отвечая или не отвечая на сдерживающие энтропию факторы, если энтропия достигает максимума, система перестраивает себя изнутри и разрушается, давая начало новой самоорганизующейся системе с новыми качественными показателями.

Этот механизм развития одновременно и эволюционный, и революционный, поскольку при эволюции система стремится сохранить устойчивость, а накопление новых качеств приводит к революционной ломке и созданию новой системы.

114. Основные понятия синергетики

В классической термодинамике процессы могут идти только по одному сценарию – система, развиваясь по линейным законам, приходит в равновесие. В неравновесной термодинамике выбор сценария зависит от множества факторов, то есть случайность и вероятность являются объективными свойствами системы, а ее развитие подчиняется нелинейным законам. Эта нелинейность выражается в неожиданных, непредсказуемых поворотах системы, в связи с выбором путей ее развития.

Примером такой постоянно открытой изменяющейся системы является наша Вселенная – в ней постоянно происходят перемены, образуются и погибают крупные структуры, меняется их расположение или порядок, но сама система продолжает существовать. Она существует благодаря происходящим переменам, существует, пока эти перемены происходят. Такой системой является та или иная цивилизация, которая проходит этапы развития от рождения до прекращения существования: как только энтропийные процессы достигают максимума, у нее остается один путь – к разрушению, цивилизация погибает, а из ее осколков складываются или не складываются новые цивилизации.

Основными понятиями синергетики являются порядок и хаос, открытость, нелинейность, диссипативность, бифуркация, аттрактор, фазовая траектория. Самоорганизующаяся система в силу своей незамкнутости и существования обратных связей способна преобразовать хаотическое движение своих элементов во внутреннюю структуру, в ней постоянно идет борьба между движением к хаосу и движением к упорядоченности. Открытость выводит систему из жесткого детерминизма. Нелинейность приводит к многовариантности путей развития. Диссипативность приводит к созданию внутри системы упорядоченных структур. Бифуркации являются точками выбора нового сценария, ведущего либо к нарастанию энтропии, либо к упорядочиванию структур и усложнению системы. Аттракторами называются точки, к которым стремится система, отошедшая от первоначальных параметров, дающих ей один путь для развития и один конечный результат. Фазовые траектории (состояния) показывают эволюцию системы в абстрактном (математическом) пространстве с координатами компонент состояния. Чем более сложной кривой описывается состояние системы в направлении аттрактора, тем более сложна и сама система.

115. Самоорганизация в неживой природе

В неживой природе при необходимых условиях могут возникать самоорганизующиеся системы. Ярким примером (давшим теорию катастроф) является поведение песка, когда его насыпают тонкой струйкой: песок сначала просто создает слой, затем образуется растущий конус, при достижении критической высоты верх конуса обваливается, и процесс начинается снова. В основу синергетики были положены эффекты, полученные Хакеном при изучении работы лазера.

В лазере используют рубиновый стержень с закрепленными на обоих концах резонаторами (зеркалами), на который дают мощный луч света; атомы в стержне приходят в движение, ускоряются, и стержень начинает испускать излучение, на начальном этапе слабое и хаотичное. При достижении пика мощности хаотичное движение атомов структурируется, становится согласованным, а излучение лазера достигает упорядоченности (когерентности).

В природе при совмещении определенных условий (отсутствии перепада горизонтального атмосферного давления) образуются перистые облака, имеющее характерную структуру в виде расположенных на равных расстояниях отдельных перьев. Явление в науке получило наименование кооперативного эффекта, точно того же, что превращает хаотичное излучение в направленный и мощный луч лазера.

Другой эффект самоорганизации связан с образованием ячеистых структур (конвективных ячеек Бенара), которые можно получить экспериментально с помощью нехитрого опыта: в сковороду наливают минеральное масло, смешанное с алюминиевыми опилками, и начинают нагревать; сначала температура из нижнего слоя масла передается в верхний при помощи обычной теплопроводности, движение опилок хаотично, но по мере увеличения температуры картины меняется – разрыв температур между нижним и верхним слоем становится критическим, опилки выстраиваются в виде шестигранных призм, то есть система организуется и образует внутреннюю структуру, которая самостоятельно поддерживает оптимальную скорость тепловых потоков, заставляя масло двигаться в верхней части призмы от центра к краям, а в нижнем – от краев к центру.

Аналогичные эффекты были открыты и для химических систем (эффект Белоусова– Жаботинского), когда в ходе реакции между малоновой кислотой и бромидом калия возникали концентрические волны и колебательное изменение цвета с красного на синий и синего на красный.

116. Самоорганизация в общественных системах

Из естественных наук понятие самоорганизации было перенесено в гуманитарную сферу общественно-политических дисциплин, где некоторые явления не получали должного объяснения, поскольку к ним пробовали применять методы, рассчитанные на более простые системы. Механизмы самоорганизации пытался рассматривать еще в XIX в. Адам Смит в своем труде о развитии экономики, метко назвав неожиданное установление порядка в рыночных отношениях (равновесие спроса и предложения) вмешательством «невидимой руки». Подобным образом (от хаоса к порядку) пытались рассматривать и формирование нравственности.

В XX в. с появлением синергетики стало возможно применение законов самоорганизующихся систем и к сложным общественным явлениям. Социальные системы отличаются необычно сложными связями между событиями и участниками исторического процесса, большим числом участников процесса, наличием кризисов и катастроф (социальных, экономических, экологических), но применяя законы синергетики, можно заранее предсказать, в каком направлении идет процесс, как он может развиваться, даже указать опасности, которые могут повернуть процесс в нежелательном направлении.

Синергетика учитывает, что в общественных процессах существуют такие же точки бифуркации, как и в явлениях, разбираемых естественными науками. Хакен, создавший теорию синергетики, исследовал вполне социальный процесс формирования общественного мнения, рассматривая участников процесса как структурные частицы с положительным или отрицательным зарядом, а коллектив – как не получающую внешнего воздействия систему. И получил два варианта распределения голосов: при неустойчивости мнения результат получается однонаправленный, при устойчивом мнении создаются два полюса мнений (общественная поляризация).

В нормально развивающемся обществе плюрализм мнений не позволяет этому обществу как свалиться в хаос, так и превратиться в иерархизированную и строго регламентированную систему с авторитарным или тоталитарным управлением сверху.

117. Самоорганизация в экономике

Экономика с точки зрения синергетики – очень удобная для моделирования отношений открытая неравновесная система, которая постоянно находится в движении и колеблется от минимума к максимуму, что позволяет отслеживать происходящие в ее недрах процессы и прогнозировать пути развития. Экономический анализ в современном мире строится с учетом законов синергетики. Экономика является открытой системой, поскольку специфичные отношения, в которых она задействована, опираются на постоянное взаимодействие с внешней средой, информационными и энергетическими источниками, материальными потоками (денежными, сырьевыми, производственными, человеческими, товарными).

Выключив хотя бы одно звено из обращения, мы получаем нежизнеспособную систему. Если рассматривать нормальные функции экономических отношений в обществе, то они должны иметь свободное движение денег, свободное движение товара, свободное движение рабочей силы. При исключении свободного движения денег мы получаем распределительную систему вроде военного коммунизма, при исключении свободного движения товара – «черный» рынок, при исключении свободного движения рабочей силы – своего рода крепостную систему. Ведущими факторами экономики является наличие большого числа игроков со своей свободной волей и интересами, кооперация и конкуренция.

Уровень продаж выступает в рыночной экономике показателем того, в каком положении система находится: хаотична, централизована, хорошо структурирована. При росте энтропии спрос падает (либо товары неходовые, либо нет покупательной способности населения, либо вместо конкуренции монополизм и жесткое государственное регулирование). Энтропия приводит рынок в состояние кризиса. При снижении энтропии (негэнтропии) система достаточно стабильна: высококачественные товары имеют спрос, насыщают рынок, по мере устаревания заменяются новыми, улучшаются средства производства, методы производства, растет благосостояние людей, внедряются новые технологии, конкуренция выдвигает более передовые фирмы с более современными технологиями и прекращает существование нежизнеспособных. Большое количество производителей создает возможность выбора, то есть делает систему неравновесной и эффективной.

118. Отличие биологической эволюции от эволюции в общественных и гуманитарных системах

Синергетика позволила применить понятие эволюции не только к биологии, но и к общественным системам и к формированию гуманитарного знания. Но между биологической эволюцией и эволюцией общества и его взглядов на мир существует кроме общих черт и множество отличий. К общественным явлениям нельзя механически применять законы эволюции, перенеся их из одной среды в другую. В общественных науках предмет исследования не является биологической системой, хотя состоит из биологических индивидуумов.

Биологическая эволюция происходит с помощью передачи от родителей потомству наследственной информации, которая записана в передаваемых генах. Именно физическое внедрение информации создает вид таким, каким ему положено быть. Социальная или культурная информация в генах не записана, то есть никаких предустановок младенец не получает, он taвula rasa (чистая доска). Он имеет некие психологические особенности (то есть будет склонен к тому или иному поведению), но адаптированность в социуме, культурный кругозор, поддержка тех или иных общественных воззрений формируются

у него при постоянном контакте с внешней средой, определенную долю признаков он получает на основе собственного опыта. Для передачи этого опыта от поколения к поколению общество сформировало ряд институтов – традиции (устоявшиеся в обществе модели поведения и восприятия мира), религию (ненаучные взгляды на сотворение мира богом или богами), искусство (выражение в образах или словах чувства прекрасного), образование (систему обучения для раскрытия индивидуальности и передачи знаний о мире), мораль (нравственные законы для применения в обществе) и т. п. Главным фактором социальной эволюции считаются традиции, поскольку они определяют миропонимание целого народа и дают ему историческую память. В отличие от живой природы социальная эволюция имеет более быстрое течение, поскольку у нее другая основа передачи, не генетическая, то есть нужны только обучение и воспитание, а изменений на физическом уровне не требуется. У животных тоже есть механизм передачи навыков, с которыми (в отличие от инстинктов) те не рождаются, – подражание. Ученые считают, что в основе социальной эволюции на первом этапе тоже лежал механизм подражания, он является основой для формирования традиций.

119. Синергетическая спираль развития для описания эволюции

Такое сложное явление как эволюция, принято рассматривать как взаимовлияние двух тенденций – организации и дезорганизации системы, то есть исходя из снижения или роста энтропии. Еще в первой половине XX в. понятие энтропии было распространено на общественные и информационные процессы. Сциллард, Шеннон использовали его для описания информационных систем (как меру их вероятности), а Шредингер расширил до понятия меры дезорганизации любых систем. Градация энтропии в этом понимании простирается от максимально возможной (хаос) до минимальной (совершенный порядок). Основоположник кибернетики Винер приравнял количество информации к отрицательной энтропии: энтропия является мерой хаоса, а информация – мерой упорядоченности, связь между ними описывается формулой S + J = 1 (const).

Когда система движется к упорядоченности, энтропия уменьшается, но для создания направления движения требуется введение информации, то есть управление системой. Винер сравнивал эволюцию с плаванием на лодке против течения: человек вынужден бороться с течением (дезорганизующими факторами), постоянно извлекая из окружающей среды негэнтропию (информацию), которая позволяет избежать тепловой смерти.

Для наглядного описания процессов эволюции в синергетике была разработана математическая модель в виде сужающейся спирали, помещенной в систему трех координат (на оси абсцисс располагаются значения энтропии, на оси ординат – параметры прогресса). Положение системы в определенный момент обозначается точкой на спирали, можно вычислить как количество энтропии, так и меру прогресса.

Если энтропия убывает к центру спирали, это показатель прогресса, если возрастает – показатель регресса. Наибольший интерес представляет расстояние между двумя узловыми моментами (скачками) состояния системы. При прогрессивном развитии энтропия убывает от витка к витку, параметры прогресса растут, снижается доля элиминируемого витка (отброшенной ненужной информации).

Эволюционные спирали могут быть как восходящими (прогресс), так и нисходящими. Для биологических и общественных систем это означает сначала появление застоя, а затем движения вспять, то есть регресса. Регресс вынуждает систему дойти до точки бифуркации и революционным образом изменить свою структуру.

120. Перспективы гуманизации естественных наук

Процесс расхождения гуманитарного и естественнонаучного знания начался в XIX в. и достиг максимального роста в XX в. Это было связано с огромными успехами естественных наук, которые тут же находили применение в практике: физические открытия дали целую волну изобретений, улучшающих качество жизни, – диагностические медицинские приборы, лазерные и компьютерные технологии, телевидение, летательные аппараты со сверхзвуковыми скоростями, космические ракеты и т. п.; химические открытия – создание новых отраслей производства, рождение химии полимеров, в настоящее время их более пятисот тысяч, основные – полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид, создание жидких и оптических кристаллов, изменившее способы передачи данных и получения изображения, создание плазмохимии и т. д.). Это делало естественные науки высокодоходным делом.

Гуманитарные дисциплины на этом фоне оказались на втором плане. Самой большой ошибкой взлета технологий было выведение этики за пределы естественных наук. Они как бы развивались сами по себе, без применения этических законов. Со второй половины XX в. в связи с рядом открытий в биологии стали раздаваться голоса в защиту этики, поскольку эти открытия касались уже не самого технического прогресса, а места человека в этом прогрессе.

В современном естествознании этические вопросы стали выходить на первый план, естественные и гуманитарные науки начали процесс сближения. Этому способствовало и появление синергетики, позволившей применять законы естествознания в гуманитарных науках, а на естественные распространить этические нормы. Теория эволюции, предлагаемая синергетикой, определяет место человека как высшей формы существования углеродной жизни, и человек обязан нести ответственность за все, что может эту жизнь погубить. Перед назревающим глобальным экологическим кризисом это актуально.

В основе современного естествознания заложен принцип гуманизма, признающий самоценность человеческой личности, нравственное отношение к окружающему миру, учет ошибок, которые уже сделало человечество за всю историю существования, и стремление избежать совершения новых ошибок.

Content

Богданова Ирина Юрьевна Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Составитель Богданова Ирина Юрьевна Концепции современного естествознания. Шпаргалки

1. Понятие и задачи естествознания

2. Взаимосвязь естественных наук

3. Деление естественных наук на фундаментальные и прикладные

4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

5. Этапы естественнонаучного познания природы

6. Формирование научной картины мира

7. Глобальные естественнонаучные революции

8. Космология и естественнонаучные революции

9. Уровни научного познания

10. Общенаучные методы познания: анализ, синтез, обобщение, абстрагирование, индукция, дедукция

11. Общенаучные методы познания: аналогия, моделирование, исторический метод, классификация

12. Методы эмпирического и теоретического познания

13. Формы научного знания

14. Научные подходы

15. Критерии научного познания

16. Предмет и структура естествознания

17. Начальный этап развития естествознания

18. Представления Аристотеля о движении

19. Представления Галилея о механике

20. Законы механики Ньютона

21. Методология и оптические теории Ньютона

22. Понятие научной картины мира

23. Понятия и законы механической картины мира

24. Принципы механической картины мира

25. Материя и пространство в механической картине мира

26. Время и движение в механической картине мира

27. Понятие взаимодействий в механической картине мира

28. Формирование термодинамической картины мира

29. Закон сохранения и превращения энергии в механике

30. Переход от теплородной к кинетической теории теплоты

31. Переход от механики к термодинамике

32. Первый закон термодинамики

33. Второй закон термодинамики

34. Термодинамическая трактовка энтропии

35. Вероятностная трактовка энтропии

36. Теория вероятности для больших систем

37. Теория расширения Вселенной

38. Понятие «стрелы времени»

39. Теория тепловой смерти Вселенной

40. Теория флуктуаций

41. Основные законы электромагнетизма

42. Теория электромагнитного поля Максвелла

43. Электронная теория Лоренца

44. Относительные и абсолютные системы отсчета

45. Специальная теория относительности

46. Общая теория относительности

47. Понятие электромагнитной картины мира

48. Формирование квантовой физики

49. Корпускулярно-волновая теория

50. Принцип неопределенностей Гейзенберга

51. Понятия и принципы квантовой картины мира

52. Структурные уровни материи

53. Типы элементарных частиц

54. Строение атомного ядра

55. Взаимодействие между молекулами и химические связи

56. Принцип Ле-Шателье

57. Агрегатные состояния

58. Понятие фазовых переходов

59. Структурные единицы мегамира

60. Устройство Солнечной системы

61. Гипотеза Канта – Лапласа

62. Гипотезы Джинса и Шмидта

63. Звездные характеристики

64. Галактики

65. Закон Хаббла

66. Теория Большого Взрыва

67. Эволюция Вселенной и фундаментальные постоянные

68. Ячеистая структура Вселенной

69. Антропный принцип

70. Химическая эволюция Земли и биогенез

71. Теория панспермии

72. Гипотеза Опарина – Холдейна

73. Предмет, задачи и методы биологии

74. Аксиомы биологии Медникова

75. Живые организмы как целостные системы

76. Уровни организации живых систем

77. Термодинамические процессы в живых системах

78. Теорема Пригожина для открытых термодинамических систем

79. Саморегуляция живого организма

80. Информационные уровни управления

81. Специфика самоорганизации живых систем

82. Эволюционная теория Дарвина

83. Синтетическая теория эволюции

84. Основные законы и факторы эволюции

85. Теория коэволюции

86. Формы естественного отбора

87. Место человека в живой природе

88. Основные этапы развития человечества

89. Происхождение рас и этносов

90. Генетические основы эволюции

91. Мутации и два типа эволюции

92. Роль мутационного процесса в эволюции

93. Способы передачи генетической информации

94. Эволюция как генетический процесс

95. Эволюция человека на современном этапе

96. Биосоциальные основы поведения

97. Место человека в биосфере

98. Экологические проблемы современного человечества

99. Негэнтропия и экологические проблемы

100. Перспективы развития микробиологии

101. Перспективы развития инженерной энзимологии

102. Перспективы развития генной инженерии

103. Опасности развития генной терапии

104. Специфика развития позитивной евгеники

105. Перспективы развития клонирования

106. Расшифровка генома человека

107. Перспективы развития биоэтики

108. Понятие ноосферы

109. Понятие симметрии и асимметрии

110. Понятие симметрии в физике

111. Понятие симметрии в биологии

112. Нарушение симметрии самоорганизующихся структур

113. Теория самоорганизации как синтез естественнонаучных знаний

114. Основные понятия синергетики

115. Самоорганизация в неживой природе

116. Самоорганизация в общественных системах

117. Самоорганизация в экономике

118. Отличие биологической эволюции от эволюции в общественных и гуманитарных системах

119. Синергетическая спираль развития для описания эволюции

120. Перспективы гуманизации естественных наук