Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
2 монеты
doc

Шпаргалка «Экзаменационная» по Концепции современного естествознания (Белкова Ю. А.)

1. Проблема двух культур. Объекты изучения и научные методы в естествознании и социально-гуманитарной области.

Объект изучения.

К настоящему времени сформировались две обширные и относительно самостоятельные области познания, которые различаются по объекту изучения:

1. Естествознание, объектом изучения которого стали все форма живой и неживой природы, включая биологические аспекты жизнедеятельности человека;

2. Гуманитарные и социальные науки, объектом изучения которых являются человеческое сознание, творчество, общественные процессы и их развитие, а также идеальные системы, созданные человеком (языки, право, религия и пр.).

В результате различия объектов познания и относительно независимой эволюции естественные и социогуманитарные науки выработали собственные методы и достигли различающихся уровней развития. Между ними появляются противоречия, связанные с различиями традиций, целей, методов, несовпадения оценок одних и тех же достижений научно-технического прогресса и тенденций развития общества. Совокупность этих противоречий иногда называют проблемой двух культур.

Научный метод в естествознании:

1. стремление к четкости и однозначности понятий;

2. эмпирическая (наблюдательная и экспериментальная) основа научных знаний;

3. инструментальные методы получения информации об изучаемых явлениях природы;

4. стремление к количественным характеристикам явлений и, соответственно, к математическим методам обработки информации; широкое применение методов математического моделирования;

5. логическая (рациональная) основа и хорошо отработанная методика построения теорий;

6. редукционизм – способ объяснять сложные явления путем использования представлений о более простых;

7. представление об относительности, принципиальной неполноте и неокончательности научных знаний, а также о преемственности теорий;

8. стремление к концептуальному единству теоретического описания природы.

Научный метод гуманитарный

Для гуманитарного знания, особенно для искусства, характерны:

1. целостный подход к рассматриваемым явлениями (синтез) – антипод редукционизма;

2. вынужденно приблизительный, не количественный, а качественный характер информации об изучаемых явлениях, трудность формализации, т.е. точного математического описания (своеобразная плата за целостный подход);

3. интерпретация - личностная (эмоциональная) позиция исследователя по отношению к изучаемому явлению, этические и эстетические оценки явлений на основе моральных принципов исследователей, а также их политических приоритетов, что в некоторых случаях может свести на нет значимость исследований;

4. особое значение интуитивного, т.е. нелогического подхода к изучению явлений.

Проблема двух культур

1. В мае 1959 года в Кембриджском университете (Англия), известный английский ученый Чарльз Перси Сноу прочитал лекцию «Две культуры и научная революция».

2. Между традиционной и гуманитарной культурой Европы и новой т.н. научной культурой, производной от научно-технического процесса 20 века.

У нас это отражается в противостоянии физиков и лириков (стихотворение Б.Слуцкого «Физики и Лирики 1959).

Конвергенция естествознания и гуманитарного знания.

• Позитивные тенденции к сближению двух культур, обусловленные необходимостью решения комплексных проблем науки, а также глобальных проблем современной цивилизации.

• Проникновение естественнонаучных методов в гуманитарную область и проникновение целостного мировидения в естествознание.

• Культура- это проявление творческого, креативного начала, вне зависимости от того, в какой сфере это творчество осуществляется следовательно сближение естественной и гуманитарной культуры объективно закономерно.

2. Концепции естествознания и научная картина мира. Научные революции.

Концепции современного естествознания

– это такие фундаментальные научные идеи, модели и положения, которые проявляют себя во всех естественных науках (Концепция – единый определяющий замысел, ведущая мысль, естествознание – совокупность наук о природе). Следовательно, в курсе КСЕ кроме избранных глав наук о природе изучаются трансдисциплинарные (trans – сквозь, через) концепции в естествознании в целом.

Известный человеку природный мир описывается множеством теорий. Все эти теории образуют единую научную картину мира.

Научная картина мира – это целостная система представлений об общих законах устройства мироздания.

Смена научной картины мира – научная революция. Иногда говорят, что научная революция – это смена парадигмы.

Парадигма – это особый способ организации научного знания, задающий то или иное видение мира и соответственно образцы или модели постановки и решения исследовательских задач.

Таких революций в истории науки было несколько.

Первая научная революция

6-4 вв. до н.э. (Аристотель)

Рождается наука, как система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей по получению новых знаний.

Аристотель:

• Создал формальную логику (учение о доказательстве)

• Дифференцировал научное знание, отделение науки о природе от метафизики (философии) и математики;

• Создал канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, обоснование решения, аргументы «за» и «против»);

• Геоцентрическая картина мира;

Вторая научная революция

16-17 вв. (Ньютон)

Законы Кеплера, Галилея, Ньютона

Классическое естествознание:

• В природе нет случайностей. Все в ней закономерно;

• Если эти закономерности установлены, то они формируются в однозначно определенной форме;

• Экспериментальное естествознание. Исследователь и прибор не влияют на результаты измерения.

• Материя может существовать или в виде вещества или в виде поля.

• Гелиоцентрическая картина мира.

Третья научная революция

Начало 20 века (Эйнштейн)

Теория относительности и квантовая механика.

Неклассическое естествознание:

• Случайность-это фундаментальное свойство природы.

• Нет однозначных закономерностей, описывающих процессы, происходящие в микромире. Есть вероятностный прогноз результатов.

• Материя на микроуровне не двуедина.

• Окружение (исследователь и прибор) воздействуют на изучаемый объект – воздействие неконтролируемое.

Четвертая научная революция

Конец 20 века Кибернетика, синергетика.

Постнеклассическое естествознание:

• Принципиально возможно спонтанное (самопроизвольное) возникновение порядка из хаоса в результате процесса самоорганизации.

• Существование точек бифуркации-переломных моментов. Вблизи точек бифуркации наблюдаются значительные флуктуации. Следовательно, возрастает роль случайных факторов. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути развития. После того, как какой-либо вариант развития системы выбран, возврата нет. В дальнейшем система развивается в выбранном направлении.

Между аристотелевской и ньютоновской революциями прошло 2 тысячелетия. От ньютоновской до эйнштеновской – чуть больше 200 лет. От эйнштеновской революции до возникновения синергетики менее 100 лет.

3. Структурные уровни материи. Панорама современного естествознания

Панорама современного естествознания.

Из всего разнообразия сильно различающихся по масштабам и уровню сложности природных объектов наука выделяет структурные уровни материи, на каждом из которых собраны объекты, близкие по своим фундаментальным свойствам (элементарные частица, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты, звезды, галактики, Вселенная). Всю совокупность природных объектов можно условно разделить на микро-, макро- и мегамир.

Макромир- мир непосредственно окружающих нас объектов. Наиболее доступен для изучения, объект классического естествознания.

Микромир- область объектов, на много порядков меньших, чем макрообъекты. Объект изучения квантовой физики, требует высокого уровня технического развития общества.

Мегамир- очень больших объектов, от планет до Вселенной в целом. Изучается астрономией, астрофизикой, космологией.

4. История естествознания. Накопление рациональных знаний в древности. Натурфилософия.

Накопление рациональных знаний в древности.

• Географические знания:

- ориентирование на местности (в море морские течения и направление ветров, расположение островов и архипелагов, звездное небо)

- карты (рисунки на земле, скалах)

• Знания о животных и растениях:

- американские индейцы хорошо знали жаропонижающие, наркотические и психотропные средства.

- аборигены Австралии хорошо знали и употребляли в пищу более 200 видов растений, 40% которых использовались ещё и в лечебных целях.

• Первобытная медицина, в том числе приемы примитивной хирургии (перевязка ран, лечение переломов, вывихов, вплоть до хирургических операций на черепе).

• Химические знания (красители, косметические средства, лекарства, яды)

• Астрономические знания (изучение положения и движения небесных тел – календарь, умение ориентироваться во время сухопутных и морских путешествий).

• Математические знания (торговля, земледелие, строительство).

Натурфилософия

Первая в истории человечества форма существования естествознания.

• Когда естественнонаучного знания (в его нынешнем понимании) ещё практически не существовало натурфилософия пыталась объяснить все происходящее в мире.

• Вплоть до 19 столетия естествознание было слабо дифференцировано (астрономия, математика, механика).

• Древнее естествознание давало отрывочные знания об объектах, явлениях природы. А натурфилософия давала свои представления о мире в целом.

5. Античная наука. Становление науки. Школа Аристотеля.

АНТИЧНАЯ НАУКА

В 6-4 веке до н. э. в Древней Греции возникает наука.

Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, которая является результатом деятельности особей группы людей (научного сообщества).

Старейшие науки-астрономия и математика (в Греции, Вавилонии, Египте, Китае, Индии).

Древние философы и ученые высказывали ряд идей, которые стали затем руководящими в естествознании и философии.

• Идея о материи

Принцип монизма - Фалес из Милета (ок. 624-547 гг. до н.э.)-все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

-Гераклит (ок. 530-470 гг. до н.э.)- все вещи, возникают из сгущения и разрежения огня.

• Идея о неуничтожимости материи и движения;

• Идея об атомистическом строении вещества;

• Идея о всеобщей причинности;

• Идея о множественности миров;

• Аристотель (384-322 гг. до н.э.)

Научное наследие:

• Метафизика (философия)

• Органон (логика)

• Физика • О небе

• О возникновении и уничтожении

• Метеорологика • Политика

• Поэтика и риторика

• История животных

• О душе (психология)

Аристотель – теория познания

• Аристотель разделили философию на теоретическую (познания ради познания, цель-истина), практическую (совершение добродетельных поступков) и творческую (искусство, в т.ч. риторика и поэтика).

• Теоретическая философия делилась на первую философию (в т.ч. теологию), физику и математику.

• Физика должна изучать основные закономерности («первые причины») и принципы организации («первые начала») природы.

• Путь познания – «от более явного для нас к более явному в природе».

• Метод познания – рассуждения и установление логических противоречий (греч. «органон»-орудие, инструмент). Отрицал эксперимент и математический анализ, как способы исследования природы.

Аристотель-понятие материи

• Всякая вещь является соединением матери и формы, причем материя и форма вечны.

• Материя, из которой состоят тела, является формой для более простой материи (пример-кирпичный дом)

• Первоматерия – бесформенная субстанция, которая соединяясь с простейшими формами образует четыре ПЕРВОЭЛЕМЕНТА: огонь (теплое и сухое), воздух (теплое и влажное), вода (холодное и влажное), земля (холодное и сухое).

• В мире первоэлементы расположены определенным образом, что создает структуру Космоса.

Аристотель – геоцентрическая космология.

Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной.

• Мир делится на область Земли и область Неба.

• Область Земли имеет в своей основе четыре элемента: землю, воду, воздух и огонь. Область неба имеет в своей основе пятый элемент- эфир, из которого состоят небесные тела. Наиболее легкий из земных элементов – огонь, помещается в пространстве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира.

• С крайней сферой соприкасается «Перводвигатель вселенной», являющийся источником всякого движения. Он нематериален ибо это есть Бог.

6. Геоцентрическая модель мира Аристотеля-Птолемея.

Системы мира — это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, планет, звезд и других небесных тел.

Уже в глубокой древности сложились первые представления о месте Земли во Вселенной.

Эти системы мира были крайне наивны: плоская Земля, под которой находится подземный мир, а над ней возвышается небесный свод. По мере накопления наблюдательных данных о видимых движениях небесных светил, развития науки, в частности геометрии и механики, эти взгляды изменялись. Огромным шагом вперед в развитии астрономических знаний явилось представление о звездном небе как о полной сфере и предположение о шарообразности Земли. Древнегреческие ученые и философы делали серьезные попытки разработать стройные, в основном геоцентрические системы мира с шарообразной Землей в центре конечной Вселенной, которую как бы замыкала сфера неподвижных звезд.

Эти системы исходили из предположения, что вся Вселенная создана для Земли, Земле должен служить весь мир и все небесные светила.

В наиболее четкой форме геоцентрическая система мира была разработана великим ученым древности Аристотелем (IV в. до н. э.). Его представления развил и завершил александрийский астроном К. Птолемей (II в. н. э.). Свою систему мира Птолемей изложил в книге «Альмагест».

Согласно системе мира Птолемея, в центре Вселенной расположена Земля, окруженная более чем 50 прозрачными хрустальными сферами. Они имеют общий центр и управляют движением Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера, Сатурна и звезд. Для управления движением Солнца и Луны выделялось две (по одной на каждое светило) сферы с расположенными на них окружностями — деферентами, по которым и двигались Солнце и Луна.

Но для планет с их сложными движениями этого было недостаточно. Поэтому Птолемей считал, что по деференту движется не сама планета, а центр другой окружности несколько меньших размеров — так называемый эпицикл. По этому эпициклу движется центр следующего по порядку эпицикла и т. д. Планета же обращается лишь по самому последнему эпициклу. Внешняя сфера неподвижных звезд совершает полный оборот вокруг оси в течение суток и приводит в движение остальные сферы, обеспечивая тем самым видимую картину движения небесных светил.

С помощью эпициклов и деферентов удавалось довольно точно описать наблюдаемые движения планет и предвычислять положения небесных тел на будущее.

Геоцентрическая система мира Аристотеля—Птолемея находилась в согласии с религиозным вероучением о центральном месте Земли во Вселенной, и поэтому церковь в течение многих веков препятствовала развитию правильных научных представлений о строении мира. В систему Птолемея вносились небольшие изменения, но основной ее принцип оставался неизменным.

Геоцентрическая космология.

• Клавдий Птолемей (рассвет деятельности 127-148 гг., Александрия)

• Главный труд Птолемея «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» (арабское название «Альмагест»)- энциклопедия астрономических знаний древних.

• Создана первая математическая теория, описывающая движение Солнца и Луны, а также пяти известных тогда планет на видимом небосводе.

• В центре Вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, а затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн – чем быстрее движется планета, тем ближе она к Земле.

Аристотель – представления о движении.

• Движение небесных и земных тел различны.

• Светила совершают равномерное круговое движение (складывается из круговых движений), не имеющее ни начала, ни конца и не нуждающееся во внешнем воздействии.

• Движение земных тел имеет начало и конец и делится на естественное (тела, состоящие из элементов земли-вниз, а состоящие из элементов воздуха и огня-вверх) и насильственное.

• Насильственное движение происходит только под действием внешней силы. Скорость движения тел пропорциональна приложенной силе.

Аристотель - континуальная концепция.

• «Природа не терпит пустоты».

• Светила движутся не сами по себе, а прикреплены к материальным сферам.

• Всякое движение возможно лишь в наполненном пространстве (пример – движение шара в воздухе).

• Существование пустоты невозможно, поскольку в пустоте любое движение мгновенно начиналось бы, и также мгновенно заканчивалось бы.

• Движение вечно.

7. Античная наука. Школа Пифагора-Платона.

АНТИЧНАЯ НАУКА

В 6-4 веке до н. э. в Древней Греции возникает наука.

Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, которая является результатом деятельности особей группы людей (научного сообщества).

Старейшие науки-астрономия и математика (в Греции, Вавилонии, Египте, Китае, Индии).

Древние философы и ученые высказывали ряд идей, которые стали затем руководящими в естествознании и философии.

• Идея о материи

Принцип монизма - Фалес из Милета (ок. 624-547 гг. до н.э.)-все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

-Гераклит (ок. 530-470 гг. до н.э.)- все вещи, возникают из сгущения и разрежения огня.

• Идея о неуничтожимости материи и движения;

• Идея об атомистическом строении вещества;

• Идея о всеобщей причинности;

• Идея о множественности миров;

Пифагор (580-500 гг. до н.э.)

Пифагорейцы впервые высказали идеи:

• О существовании количественных закономерностей в явлениях природы.

• О том, что эти закономерности выражаются в строгих математических формулировках.

Пифагор «Все есть число»

• Числовые соотношения лежат как в основе природных процессов, так и жизни человеческой души. Числовые соотношения составляют саму сущность природы. Наблюдаемое – изменчиво, а числовые соотношения вечны, и потому истинны. Познание природы возможно только через познания числа и числовых отношений.

• Возможность мысленной манипуляции с числами ведет к том, что числа становятся самостоятельными объектами, а затем и сущностью вещей. Мир собственно и есть число, т.е. буквально все вещи состоят из чисел.

• Число принимается за начало и в качестве материи для вещей и в качестве выражения их состояний и свойств.

• Числам придавался мистический смысл. Математические упражнения служили для духовного совершенствования и очищения, исследование числовых соотношений было аналогично религиозным ритуалам.

• Числа имеют зрительный образ: 1-точка, 2-линия, 3-поскость, 4-тело. Линейные числа-простые, плоскостные, состоят из двух сомножителей (квадраты чисел), телесные – из трех сомножителей (кубы чисел).

• Священное число – 10 (тетрактида). 10=1+2+3+4.

• Четные числа – женские, а нечетные – мужские; нечетное при сочетание с четным возобладает: брак – 5=2+3.

Пифагор (580-500 гг. до н.э.)

• Идея о шарообразности Земли

- наблюдая за горизонтом во время морских путешествий.

-наблюдения затмения Луны.

- Земля- шар, т.к. эта геометрическая фигура является наиболее простой и наиболее совершенной.

• Первая гипотеза о строении Вселенной, в которой предполагается движение Земли – вращение всех небесных тел, включая Солнце, по сферам вокруг центрального огня.

• Открытие связи между числами и музыкальной гармонией.

Платон (428-348 до н.э.)

• «не геометр не войдет» - не принимались в академию те, кто не был сведущ в геометрии, астрономии и музыке.

• Наиболее важны математические законы природы, находящиеся за явлениями, а не сами постоянно меняющиеся явления.

Платон-строение материи

• Материя состоит из четырех первоэлементов – огня, воздуха, воды и земли, которые могут превращать друг в друга.

• Важны не воспринимаемые нами свойства первоэлементов, а их геометрические образы: для огня – тетраэдры (наиболее острые углы), для воздуха – октаэдры; для воды – икасаэдры, для земли – кубы (наиболее устойчивый).

• Плоскости объемных фигур состоят из двух видов треугольников (прямоугольный равнобедренный и прямоугольный неравнобедренный с углами 30, 60 градусов). Куб состоит из 12 треугольников, тетраэдр из 24, октаэдр из 48, икосаэдр из 120.

• Фигуры могут распадаться на составляющие их треугольники и складываться заново, превращаясь друг в друга. Куб, распадаясь на может превращать в другие фигуры.

• Вода, воздух и огонь могут превращаться друг в друга, землеобразные тела не могут участвовать в подобных превращениях. (1вода= 2 воздуха + 1 огонь).

• Превращения возникают при непосредственном столкновении движущихся элементов друг с другом. Движение возможно только в неоднородной среде. (Жидкость жидка, когда в ней присутствует огонь, удаление огня, т.е. остывание, вызывает уплотнение).

• Платон-познание природы.

• Большинство исследователей считает треугольники не физическими частицами, а математическими образами. Материя понимается не как вещество, а как пространство.

• Знание о мире природы можно получить лишь раскрыв математические структуры этого природного мира.

• За элементы тел принимаются геометрические формы, наиболее совершенные с точки зрения подобия и симметрии, достаточные для интерпретации природных явлений.

• Основы математического моделирования и математической физики.

8. Идеи атомистики в античной науке, школа Демокрита-Эпикура.

Демокрит (ок. 470 или 460 гг до н.э. – ок. 370 гг до н.э.)

• Все тела состоят из мельчайших материальных частиц – атомов и незаполненного пространства – пустоты. Пустота нужна для перемещения атомов в пространстве и столь же реальна, как и тела.

• «Целые миры превращаются в другие, превращаются и отдельные вещи, ибо вечные атомы не могут исчезнуть бесследно».

Демокрит – атомистическое учение.

• Атомы неуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существует вечно.

• Атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве.

• Атомы представляют собой мельчайшие неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы.

• Атомы различаются по форме (крючкообразные, изогнутые, шероховатые, угловатые) и величине. Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний.

• Атомы бесконечны в числе, число конфигураций атом также бесконечно.

Демокрит – космология.

• Из атомов образуются не только окружающие нас предметы, но и целые миры, которых во Вселенной бесчисленное множество.

• Миры образуются в результате вихреобразного движения атомов. В космическом вихре в результате действия закона притяжения подобного подобным атомы, однородные по форме, объединились, образовав Землю и небесные тела. Центр нашего мира – Земля.

• Число миров бесконечно. Миры возникают, переживают расцвет и погибают. Наш мир – в состоянии расцвета.

Демокрит – детерминизм.

• Все, происходящее в мире подчинено только закону необходимости (причинности). Необходимость – бесконечная цепь причнно-следственных связей.

• Всякого рода случайность – лишняя иллюзия, порожденная незнанием подлинных причин происходящего. Знание причин превращает случайность в необходимость.

• Ничто, происходящее в мире, не происходит беспричинно. Случайность придумали люди для оправдания собственного невежества. «Люди измыслили идол случая».

Эпикур (341-270 гг. до н.э.)

«Если бы нас нисколько не беспокоили подозрения относительно небесных явлений и подозрения относительно смерти, будто Она имеет к нам какое-то отношение, то мы не имели бы надобности в изучении природы».

Эпикур – атомистическое учение.

• Все существующее во Вселенной возникает в результате соединения атомов в различных комбинациях.

• «И по количеству тел, и по величине пустоты Вселенная безгранична». «Миры безграничны (по числу), как похожие на этот мир, так и не похожие».

• Атомы не могут превышать некоторой величины.

• Число их форм ограниченно.

• Атомы обладают тяжестью.

• Атомы неделимы, однако возможны наименьшие части атомов.

Эпикур – учение о движении.

• Атомы вечно движутся через пустоту с одинаковой скоростью.

• Возможно свободное (спонтанное) отклонение атома от происходящего в силу необходимости прямолинейного движения.

• Для самоотклонения не существует никаких внешних причин. Изменение направления движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов.

• На основании случайности движения атомов Эпикур отрицал идею судьбы и предопределенности. «Лучше было бы следовать мифу о богах, чем быть рабом судьбы физиков; миф дает намек на надежду…, а судьба заключает в себе неумолимость»

Эпикур – учение о познании.

• Познание основано на непосредственных чувственных впечатлениях. Все, что мы ощущаем – истинно, ощущения никогда нас не обманывают. Заблуждения и ошибки возникают тогда, когда мы что-то прибавляем к нашим ощущениям, т.е. их источником является разум.

• Объяснение природных явлений основано на методе аналогии с учетом данных чувственного восприятия.

• Подобный метод допускает не одно единственное, а множество возможных объяснений (затмение Солнца могут происходить как в следствии угасания, так и в результате заполнения другим телом).

• Гносеологический плюрализм – каждое явление может иметь несколько объяснений.

9. Естествознание Нового времени. Галилей: исследование падения тел, принципы инерции, относительности, суперпозиции; преобразования Галилея.

Эпоха Нового времени охватывает три столетия XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век. В XVII веке родилось классическое естествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые как Галилей, Кеплер и Ньютон.

Галилей считал, что истинное знание достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента), и вооруженного математическим знанием разума. Он был уверен, что законы природы написаны на языке математики.

Используя построенные им телескопы (сначала с трехкратным увеличением, а затем с 30-кратным), Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. У Юпитера Галилей обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Галилей убедился в том, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Изучая падение тел, он установил, что

1. свободно падающее тело движется с постоянным ускорением;

2. время падения тела не зависит от массы.

Он получил формулу, связывающую ускорение, путь и время падения тела

; Исследование Галилеем свободного падения тел имело большое значение для становления механики как науки.

Галилей строил механику по образцу геометрии Евклида: сначала вводил постулаты и определения, а затем получал из них необходимые следствия.

В учении Галилея были заложены основы нового механистического естествознания.

Он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения. Сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости). Показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение.

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем. Оно сводилось к следующему: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия. Если это воздействие прекращается, то тело останавливается. Галилей вместо него сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится никакого внешнего воздействия.

Галилей выработал понятие инерциальной системы отсчета.

Галилей сформулировал принцип относительности: внутри равномерно движущейся системы все физические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся (говоря физические, он имел в виду механические явления).

Галилей открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции): две различные причины, вызывающие движение одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует.

Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

10. Естествознание нового времени. Становление гелиоцентрической космологической модели: работы Коперника, Галилея, законы Кеплера

Галилей считал, что истинное знание достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента), и вооруженного математическим знанием разума. Он был уверен, что законы природы написаны на языке математики.

Используя построенные им телескопы (сначала с трехкратным увеличением, а затем с 30-кратным), Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. У Юпитера Галилей обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Галилей убедился в том, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Изучая падение тел, он установил, что

3. свободно падающее тело движется с постоянным ускорением;

4. время падения тела не зависит от массы.

Он получил формулу, связывающую ускорение, путь и время падения тела

; Исследование Галилеем свободного падения тел имело большое значение для становления механики как науки.

Галилей строил механику по образцу геометрии Евклида: сначала вводил постулаты и определения, а затем получал из них необходимые следствия.

В учении Галилея были заложены основы нового механистического естествознания.

Он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения. Сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости). Показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение.

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем. Оно сводилось к следующему: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия. Если это воздействие прекращается, то тело останавливается. Галилей вместо него сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится никакого внешнего воздействия.

Галилей выработал понятие инерциальной системы отсчета.

Галилей сформулировал принцип относительности: внутри равномерно движущейся системы все физические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся (говоря физические, он имел в виду механические явления).

Галилей открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции): две различные причины, вызывающие движение одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует.

Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

В 1580 году в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили невиданную астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории был Тихо Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине неба – Урании. Более двадцати лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. К счастью, на своем жизненном пути Тихо Браге встретил Иоганна Кеплера. На смертном одре Т. Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений.

После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер сделал великое открытие: он раскрыл главную тайну планетных орбит. Кеплер в 1605 году открыл и в 1609 году опубликовал первые два закона планетных движений:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

2. Скорость движения планет изменяется таким образом, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает одинаковые площади (закон постоянства площадей).

Кеплер нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой момент времени (уравнение Кеплера). Затем он поставил вопрос о динамике движения планет. Он заметил, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, то есть уменьшается скорость движения планет. Кеплер объяснял это так: движущая сила едина для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие планеты и слабее на далекие планеты. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы и поставил вопрос о ее физической природе и точном математическом законе. Ответил на этот вопрос через несколько лет Исаак Ньютон.

Через десять лет после опубликования первых двух законов (1619) Кеплер опубликовал третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца (кубы больших полуосей их орбит).

Иоганн Кеплер заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации.

11. Ньютон: механика земных и небесных тел, закон всемирного тяготения, законы динамики, представления о пространстве и времени.

Все методы, знания и идеи предыдущего поколения унаследовал Исаак Ньютон и создал теорию, которая на два столетия определила развитие науки. Создав стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), он завершил постройку фундамента нового классического естествознания.

28 апреля 1686 года – одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию – механику земных и небесных процессов.

В основе классической механики Ньютона лежит система взглядов на пространство и время.

Ньютон, раскрывая сущность времени и пространства, характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».

Классическая механика была изложена Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии». Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.

Основные положения этой картины мира заключаются в следующем.

 Пространство считалось:

 бесконечным,  плоским или евклидовым (его метрические свойства описывались геометрией Евклида).

 пустым,  абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета),

 однородным (нет выделенных точек),

 изотропным (нет выделенных направлений).

Пространство выступало как «вместилище» материальных тел.

 Время понималось:

 однородным,  равномерно текущим (оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности),

 абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета).

В механике Ньютона время абсолютно, абсолютна и одновременность во всей Вселенной. Это послужило основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния.

Кроме основных представлений о пространстве и времени она содержала:

1. Понятия массы, силы, инерции, ускорения.

2. Основные законы движения материальной точки.

3. Закон всемирного тяготения.

4. Принцип относительности и закон сложения скоростей Галилея.

. В механике Ньютона движение тела происходит по строго определенным траекториям, то есть всегда можно одновременно измерить его координаты и его скорость (или импульс).

Большинство явлений, происходящих в природе, подтверждали справедливость построенной Ньютоном механистической картины мира.

Подлинным триумфом ньютоновской теории и картины мира стало открытие в 1846 году восьмой планеты Солнечной системы – Нептун. Как это произошло? Еще в конце 18 века астрономы заметили, что траектория движения планеты Уран не совпадает с траекторией, предсказанной законом всемирного тяготения. Это несовпадение пытались объяснить по-разному: столкновением Урана с кометой или неточностью закона всемирного тяготения (даже были попытки изменить его). Наконец была высказана гипотеза о влиянии более далекой планеты. Два математика и астронома Джон Адамс и Урбен Леверье независимо друг от друга с помощью закона всемирного тяготения Ньютона рассчитали траекторию гипотетической планеты. 23 сентября 1846 г. берлинский астроном Готфрид Галле обнаружил ее.

12. Классическая электродинамика, работы Кулона, Ампера. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Теория электромагнитного поля Максвелла.

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член Парижской АН Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный заряд притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной величине зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление, что закон всемирного тяготения может служить универсальным ответом на все задачи. Однако впоследствии стало ясно: появился первый закон электромагнетизма.

Механическая картина мира знала только один вид материи — вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. Первоначально считалось, что тела взаимодействуют на расстоянии, без каких бы то ни было промежуточных материальных посредников. Затем была выдвинута новая точка зрения: взаимодействие передается с помощью особого материального посредника. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что пространство между телами никогда не является пустым: оно заполнено материей в форме силового поля. Поле является переносчиком взаимодействия тел. Каждое тело «узнает» о существовании других тел только через окружающие его поля.

В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. И хотя масса, как считалось, была у всех частиц, а заряд — только у некоторых, обладание электрическим зарядом было признано таким же фундаментальным, важнейшим их свойством, как и масса. Между электрически заряженными телами, между намагниченными телами, между телами, по которым текут токи, действуют силы, называемые электромагнитными. В начале 19 века английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля – материальной среды, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фарадею удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же «силой» природы.

Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году.

Основные положения и выводы теории Максвелла :

•Изменение во времени электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот. Следовательно, существуют электромагнитные волны.

•Передача электромагнитной энергии происходит с конечной скоростью. Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света . Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений.

Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое.

13. Основные концепции классического естествознания: корпускулярная и континуальная концепции, концепции дальнодействия и близкодействия.

1. Корпускулярная и континуальная концепции.

При рассмотрении какого-либо явления природы любой реальный объект может быть заменен моделью корпускулы (частицы), если не важна его внутренняя структура и размеры. При создании модели используются только основные для описания данного явления характеристики. Использование модельных представлений необходимо для формализованного, математического описания природных объектов. Ньютоновская механика- сочетание экспериментального исследования механических объектов и их математического описания на основе корпускулярной модели.

Уравнения и законы механики позволяют по известному состоянию механической система в некоторый момент времени и известным взаимодействиям (силам) однозначно определить ее состояние в любой следующий момент времени. Все закономерности, которые позволяют по известным взаимодействиям и начальным состояниям однозначно определить будущее состояние системы, называются закономерностями динамического типа.

Из однозначного характера закономерностей динамического типа вытекает представление о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в природе. Классический детерминизм Лапласа: если было бы возможно учесть взаимодействие всех элементов сколь угодно сложной системы и использовать всю информацию об их начальных состояниях, то можно было бы рассчитать состояние этой системы в будущем, и тем самым исключить случайность в описании ее поведения.

Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть явлений природы описывается закономерностями не динамического, а статистического типа. Тем ни менее детерминизм проявляется (в экономике, педагогике, политике) как образ мышления, уходящий корнями в механистическую картину мира. Он приводит к упрощенному восприятию действительности, связанным с абсолютизацией причинно-следственных связей и неучетом роли случайных факторов. Физикализм – вид детерминизма, в котором истинность любого научного положения ставится в зависимость от возможности его перевода на язык физики. Социальный физикализм характеризуется привнесением детерминистских представлений в социальную практику (экономику, гос. управление), основан на развитии методов математического моделирования, в том числе и в экономике.

Континуальная концепция возродилась и закрепилась в физике в результате введения понятий электрического и магнитного полей. Она не отрицала корпускулярных взглядов на вещество, но дополняла их и расширяла общие представления о формах материи. До теории Максвелла континуальная концепция нашла воплощение в модели сплошной среды, которая может рассматриваться как предельный случай системы материальных точек. Примером движения сплошной среды является волновое движение, при этом характеристики этого движения (энергия, импульс) не локализованы, как у частицы, а непрерывно распределены в пространстве. Звуковые волны – волны в упругой среде с частотой 20-20000 Гц.

Теория Максвелла, впоследствии названная классической электродинамикой, описывает качественно иной природный объект- электромагнитное поле и электромагнитные волны. Первоначально предполагалось, что распространение ЭМ волн происходит в некоторой среде, названной эфиром, однако эфир не был обнаружен экспериментально, а из теории Максвелла возможность существования ЭМ поля, как особого вида материи. Необходимо отметить, что все открытия, сделанные при развитии электродинамики, не внесли каких-либо изменений в представление о динамическом характере законов природы.

2. Концепция дальнодействия и близкодействия.

Первоначально в естествознании существовало убеждение, что взаимодействие между природными объектами осуществляется через пустое пространство. При этом пространство не принимает никакого участия в передаче взаимодействия, а само взаимодействие передается мгновенно. Такое представление о характере взаимодействия составляет суть концепции дальнодействия.

В ходе исследования свойств ЭМ поля было установлено, что скорость передачи любого сигнала не может превышать скорости света, т.е. является величиной конечной, и от концепции дальнодействия пришлось отказаться. В соответствии с альтернативной концепцией – концепцией близкодействия, в пространстве, разделяющем взаимодействующие объекты, происходит некоторый процесс, распространяющийся с конечной скоростью, т.е. взаимодействие между объектами осуществляется посредством полей, непрерывно распределенных в пространстве.

С окончательным оформлением электромагнетизма классический этап развития физики и всего естествознания завершился. Итогом этого развития стало представление о существовании двух форм материи – вещества и поля, которые считались независимыми друг от друга.

14. Основные концепции классического естествознания: классический детерминизм и физикализм.

Из однозначного характера закономерностей динамического типа вытекает представление о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в природе. Классический детерминизм Лапласа: если было бы возможно учесть взаимодействие всех элементов сколь угодно сложной системы и использовать всю информацию об их начальных состояниях, то можно было бы рассчитать состояние этой системы в будущем, и тем самым исключить случайность в описании ее поведения.

Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть явлений природы описывается закономерностями не динамического, а статистического типа. Тем ни менее детерминизм проявляется (в экономике, педагогике, политике) как образ мышления, уходящий корнями в механистическую картину мира. Он приводит к упрощенному восприятию действительности, связанным с абсолютизацией причинно-следственных связей и неучетом роли случайных факторов. Физикализм – вид детерминизма, в котором истинность любого научного положения ставится в зависимость от возможности его перевода на язык физики. Социальный физикализм характеризуется привнесением детерминистских представлений в социальную практику (экономику, гос. управление), основан на развитии методов математического моделирования, в том числе и в экономике.

15. Классические представления о пространстве и времени. Связь свойств пространства и времени и законов сохранения, понятие симметрии.

Существует две формы описания материальных тел и процессов – пространственная и временная.

Интуитивные представления о понятиях пространства и времени имеет каждый человек на основании повседневного опыта.

Пространство — это совокупность отношений, выражающих взаимное расположение материальных объектов – расстояния между ними и ориентацию.

Время — это совокупность отношений, выражающих длительность и последовательность событий.

Тем самым пространство — это пространственные отношения между материальными объектами, а время — это временные отношения событий друг к другу.

Наиболее общее свойство пространства и времени — их взаимозависимость. Говорить о пространстве без материальных объектов и о времени без каких-либо процессов не имеет никакого смысла. Не существует пространственных и временных отношений по отдельности – любой процесс в природе происходит в некоторой области пространства, а любой материальный объект как-то меняется со временем. Поэтому имеет смысл говорить лишь о единых пространственно-временных отношениях между событиями. Однако для первого знакомства с их свойствами рассмотрим сначала временные отношения в данной точке пространстве и пространственные отношения в данный момент времени порознь. Такое условное разделение допустимо, пока рассматриваемые нами объекты движутся медленно.

А). Временные отношения в природе

Чтобы описать временные отношения, вводится эталонный процесс, называемый часами. В качестве часов можно использовать любой процесс, в котором периодически повторяется одно и то же состояние материального объекта. Примеры таких процессов хорошо известны из повседневной жизни: пульс у человека, движение Земли вокруг оси (сутки) и вокруг Солнца (год), колебания маятника.

Время одномерно. Это значит, что ответ на вопрос «Когда произошло событие А?» требует измерения и указания лишь одного числа — момента времени события tА. Моменты времени различных событий могут быть упорядочены в соответствии с правилом «раньше – позже», после чего им могут быть сопоставлены геометрические точки на оси времени. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольный момент времени to. Моменты времени одного и того же события относительны, т.е. зависят от выбора начала отсчета времени, сами по себе они не могут служить объективными характеристиками временных отношений.

В качестве объективной характеристики временных отношений принято выбирать промежуток времени , равный разности между двумя моментами времени, отвечающими началу и концу какого-либо процесса. В отличие от них промежуток времени обладает тем свойством, что его значение уже не зависит от выбора начала отсчета времени. Иными словами, в данной точке пространства промежутки времени инвариантны, т.е. неизменны по отношению к выбору начала отсчета времени. В этом проявляется важнейшее свойство времени — его однородность.

Время изменяется только от прошлого через настоящее к будущему.

Б) Пространственные отношения в природе

Для определения положения какого-либо события в пространстве требуется произвести три измерения и указать три числа, называемые пространственными координатами, например, высоту над поверхностью Земли, широту и долготу (физическое пространство трехмерно).

Рассмотрим сначала пространственные отношения в одном измерении, например, вдоль оси X. С этой целью введем эталонный объект — масштаб (линейку), в качестве которого можно использовать любой материальный объект (твердое тело), размеры которого можно считать неизменными. Положение материального объекта вдоль оси X может быть указано в соответствии с правилом «ближе–дальше», после чего ему сопоставляется геометрическая точка хА. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольную точку х0 = 0. Пространственные координаты одного и того же события относительны: они зависят от выбора начала отсчета пространственных координат и поэтому сами по себе не могут служить объективными характеристиками пространственных отношений. Расстояние между двумя точками на этой оси, отвечающими положениям двух различных материальных объектов достаточно малого размера, уже не зависит от выбора начала отсчета. Иными словами, в данный момент времени расстояние вдоль оси Х инвариантно (неизменно) по отношению к выбору начала отсчета пространственных координат, поэтому его можно выбирать в качестве объективной характеристики пространственных отношений вдоль оси Х. В этом отражается важнейшее свойство пространства — его однородность. Это означает физическое равноправие всех точек в пространстве.

В трехмерном пространстве помимо того, что для каждого объекта необходимо задавать не одну, а три координаты, для описания пространственных отношений двух материальных объектов необходимо указывать направление от одного материального объекта к другому. Для этих целей служит вектор , длина которого равна расстоянию между объектами, а его направление в заданной системе координат характеризуется направляющими углами с осями координат.

Разности пространственных координат двух объектов зависят от выбора направлений осей координат. А расстояние между объектами и углы между двумя прямыми не изменяются при повороте координатных осей. В этом находит отражение еще одно важнейшее свойство пространства — его изотропность (физическое равноправие всех направлений в пространстве).

Пространство однородно и изотропно. Время однородно. Следовательно, ни в пространстве, ни во времени нет особых (выделенных, заметных глазу) точек и направлений. Для описания любых изменений в природе (в том числе и механического движения) необходимо построить искусственную систему, относительно которой определяется положение и время протекания процесса – систему отсчета (СО). Система отсчета состоит из: тела отсчета, связанной с ним системы координат и указания о начале отсчета времени (часов).

Принцип относительности Галилея-Ньютона:

 во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) механические процессы протекают одинаково;

 никакой механический эксперимент не позволяет нам выделить из совокупности ИСО какую-либо одну преимущественную систему отсчета;

 все законы природы одинаковы во всех ИСО (инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую ИСО).

Отсюда следует:

 все ИСО равноправны; не бывает абсолютного покоя и абсолютного движения

 Экспериментально установлено, что в природе возможны не любые процессы и движения, а только те, которые не нарушают так называемые законы сохранения. Законы сохранения связаны с фундаментальными свойствами симметрии в природе.

Видов симметрии много, простейшие связаны с геометрическими операциями, которые приводят к совпадению тела самим с собой (сфера симметрична относительно любого поворота). В более общем случае симметрия проявляется в неизменности (инвариантности) тела или системы по отношению к какой-либо операции.

В 1918 году немецкий математик Амали Нётер сформулировал теорему, согласно которой каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения.

Так установлено, что с однородностью времени (инвариантность относительно операции сдвига) связан закон сохранения энергии; с однородностью пространства связан закон сохранения импульса; с изотропностью пространства (инвариантность относительно операции поворота) – закон сохранения момента импульса.

Любой процесс, при котором нарушился хотя бы один из законов сохранения невозможен, т.е. эти законы работают как принципы запрета. В этом качестве законы сохранения играют важную методологическую роль в естествознании.

16. Теория относительности рйнштейна: предпосылки создания, опят Майкельсона-Морли. Постулаты социальной теории относительности.

Предпосылки для создания тории относительности.

Первой теорией, которая объясняла все существующие к моменту ее создания явления природы, была механика Ньютона в основе которой лежали принцип относительности Галилея и преобразования координат и скорости Галилея.

Принцип относительности Галилея.

• Во всех ИСО механические процессы протекают одинаково.

Преобразования координат и скорости Галилея.

Они устанавливают инвариантность длины, времени и ускорения относительно преобразований Галилея. Это означает, что в системах координат К и К’

. Ньютон ввел в науку понятие теории. Любая теория должна основываться на небольшом числе постулатов (чем их меньше – тем лучше). На базе этих постулатов (законов) можно делать различные предсказания.

Теория должна допускать проверку опытом. Теория существует до тех пор, пока не находятся такие явления, которые невозможно объяснить с помощью её системы постулатов. Тогда создается новая система постулатов, объясняющая все явления природы. Старая система постулатов остается лишь частным случаем новой.

Какие же явления привели Эйнштейна к созданию новой системы постулатов – специальной (СТО), а затем и общей (ОТО) теории относительности?

С развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что одной классической механики недостаточно для полного описания явлений природы.

Было известно, что для распространения звуковых волн необходима материальная среда (эксперимент с часами под колоколом вакуумного насоса). Естественно было предположить, что для распространения электромагнитных волн (света) тоже необходима материальная среда. Предположили, что этой материальной средой является эфир – некоторое неподвижное «желе», заполняющее все пространство. Частицы эфира, перенося свет, как частицы воздуха переносят звук. Тогда оптику можно включить в хорошо разработанную систему механики. Получается очень простая и понятная физическая картина мира. В конце 19 века почти всем физикам эта задача казалась вполне разрешимой. Необходим был «решающий эксперимент» по обнаружению эфира.

С введением гипотезы эфира разрешалась проблема распространения света, но возникала новая проблема: эфир оказался избранной системой отсчета для всей Вселенной (а принцип относительности Галилея гласит: все ИСО равноправны).

Эксперимент по обнаружению эфира в 1881 году провел в Потсдаме американский ученый Альберт Абрагам Майкельсон (1852 – 1931), в те времена молодой офицер военно-морского флота Соединенных штатов. В Берлинском университете, в лаборатории известного немецкого физика Германа Гельмгольца, молодой Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер.

Идея эксперимента проста. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с в «эфирном море». Следовательно, световой луч должен испытывать действие эфирного ветра.

Это значит, что в направлении движения Земли скорость распространения света должна быть , а в противоположном направлении . Так как м/с, а м/с, то разница во времени, которую необходимо обнаружить будет очень маленькой. Как ее обнаружить и «отфильтровать» от погрешностей эксперимента?

В 1887 году Майкельсон и американский химик Морли предложили следующую схему эксперимента. В большой чаше с ртутью плавает бетонная плита, на которой смонтирована установка. Это необходимо для того, чтобы устранить влияние внешних вибраций. Установка состоит из источника света, плоскопараллельной пластины и двух зеркал. Луч света разделяется плоскопараллельной пластиной на два взаимно перпендикулярных луча. После этого они проходят одинаковые расстояния, отражаются от зеркал и опять встречаются на поверхности плоскопараллельной пластины. Образуется интерференционная картина. Если скорости распространения света по направлению движения Земли и перпендикулярно ему различны, то и времена прохождения этих одинаковых расстояний будут различны. Следовательно, разность фаз лучей, возвращающихся на плоскопараллельную пластину, будет отлична от нуля и различна при различной ориентации отрезков и относительно направления движения Земли. При выбранных расстояниях разность хода могла достигать половины длины волны . Такие измерения в то время были уже возможны. Сколько ни вращали установку в опыте Майкельсона–Морли интерференционные полосы и не думали изменять своего положения. В более поздних экспериментах можно было зафиксировать разность хода в . Однако изменение интерференционной картины не было зафиксировано.

Если бы этот эксперимент был проведен несколькими столетиями раньше, то вывод был единственный: Земля неподвижна. Поскольку факт движения Земли к концу 19 века ни у кого не вызывал сомнений, то было сделано несколько попыток спасти теорию эфира. Были придуманы следующие объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона–Морли:

Эфир увлекается Землей, поэтому эфирного ветра нет (Майкельсон экспериментально опроверг эту гипотезу);

Наиболее необычное объяснение дал ирландский физик Джордж Фрэнсис Фитцджеральд. Он предположил, что длина предмета уменьшается в направлении движения и поэтому . Два американских физика Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк повторили опыт Майкельсона–Морли, но расстояния и взяли отличными друг от друга. Даже с учетом сокращения длины в направлении движения Земли и должны быть различными. А, следовательно, должно было наблюдаться изменение интерференционной картины. Изменение интерференционной картины обнаружено не было.

Лоренц добавил еще одно предположение: время тоже изменяется. Под действием эфирного ветра замедляется ход часов.

Физикам трудно было поверить в то, что, создав эфирный ветер, природа устроила все так, что обнаружить этот ветер невозможно. Таким образом, отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли объясняется очень просто – эфира нет. Нет эфира – нет избранной системы отсчета. Это хорошо. А как тогда распространяются электромагнитные волны? Не так как звук? Следовательно, одной механистической картины для описания всех явлений не достаточно.

При замене координат вид уравнений Максвелла для электромагнитного поля изменялся. То есть уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея. То есть принцип относительности Галилея на электромагнитные явления не распространяется. Уравнения Максвелла принялись переписывать и видоизменять таким образом, чтобы в и уравнения Максвелла имели одинаковый вид. Однако уравнения Максвелла демонстрировали величайшую степень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые поправки оказались неподтвержденными.

Повышение точности расчетов в теории движения Солнца и планет, привело к открытию нового эффекта: орбита Меркурия вращается вокруг Солнца со скоростью за 100 лет (а по современным данным ). Классическая механика Ньютона объяснить этот факт не могла. Предполагали, что между Солнцем и Меркурием есть гипотетическая планета – Вулкан, но она обнаружена не была.

Таким образом, возникла необходимость в пересмотре классической механики Ньютона и создании новой теории, которая смогла бы объяснить все эти (и многие другие) явления природы.

§ 2. Постулаты специальной теории относительности (СТО).

Теория относительности занимается описанием событий в различных системах отсчета.

СТО (релятивистская теория) была впервые опубликована в 1905 году. Первоначально Эйнштейна интересовало, что происходит с электрическими и магнитными полями при скоростях, близких к скорости света. Но созданная им теория описывала не только поведение этих полей. В ней речь шла о понятиях: пространство, время, масса, электрические и магнитные поля. В ней говорилось о том, что происходит с пространством, временем и массой, когда тела движутся со скоростями близкими к скорости света.

Как понимали пространство и время до Эйнштейна? Пространство – это пустота, в которой существует все остальное. Время – это хронологическая последовательность событий в этой пустоте.

В начале и Эйнштейн рассматривал пространство и время по отдельности. На самом деле все намного сложнее. Теория Эйнштейна утверждает, что пространство – это физический «объект». Он может изменяться от точки к точке, растягиваться, искривляться.

СТО – это, на первый взгляд, слегка модернизированная механика Ньютона. СТО описывает ИСО, движущиеся с любыми скоростями.

Основные постулаты СТО:

1. Принцип относительности. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Во всех инерциальных системах отсчета не только механические, но и другие явления природы протекают одинаково.

2. Принцип постоянства скорости света (порождает принцип причинности). Во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и равна м/с.

17. Специальная теория относительности.

Основные постулаты СТО:

• Принцип относительности. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Во всех инерциальных системах отсчета не только механические, но и другие явления природы протекают одинаково.

• Принцип постоянства скорости света (порождает принцип причинности). Во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и равна м/с.

Преобразования Лоренца и следствия из них.

При переходе из одной ИСО в другую координаты и время изменяются в соответствии с преобразованиями Лоренца.

Из преобразований Лоренца следует:

1. Сокращение длин движущихся отрезков ,

2. Замедление хода движущихся часов ,

3. Относительность одновременности ,

4. Релятивистский закон сложения скоростей

. . 5. Предельный характер скорости света (порождает принцип причинности).

Инварианты преобразований Лоренца.

Инварианты – это величины, которые не изменяются при переходе из одной ИСО в другую ИСО.

1. Скорость света в вакууме м/с.

2. Преподаватель математики Эйнштейна в Цюрихском политехникуме Минковский объединил понятия пространства и времени в единый пространственно-временной континуум. Всякое событие характеризуется четырьмя координатами: х, y, z, ct. В этом пространстве событие изобразится точкой, которую принято называть мировой точкой. Всякой частице в четырехмерном пространстве соответствует линия, которая называется мировой линией ( для покоящейся частицы она имеет вид прямой линии, параллельной оси t). Интервалом между событиями называется величина

При переходе из одной ИСО в другую изменяются длины отрезков, изменяются интервалы времени, а пространственно-временной интервал не изменяется (инвариантен относительно преобразований Лоренца).

. Ранее мы убедились, что промежуток времени t и расстояние l не являются инвариантными. Следовательно каждое из слагаемых, образующих величину s, изменяется при переходе от одной СО к другой, сама же величина s остается постоянной.

s20 – временеподобный интервал ( lct )

Для событий разделенных временеподобным интервалом не существует СО, в которой они происходят одновременно, зато имеется СО, в которой они происходят в одной и той же точке пространства (l2=0). Следовательно, события разделенные временеподобным интервалом могут быть связаны причинно-следственной связью (образование и распад элементарных частиц ).

s20 – пространственноподобный интервал ( lct )

События, разделенные таким интервалом, ни в какой СО не могут быть пространственно совмещенными, но для них всегда можно найти СО, в которой они происходят одновременно (t2=0).

Возьмем мировую точку О некоторого события за начало отсчета времени и координат. На рисунке представлена плоскость {x,t} в четырехмерном пространстве (y=0=z). Движение частицы со скоростью с вдоль оси х изобразится линиями х=ct. Мировые линии всех частиц, проходящих через мировую точку О, будут лежать внутри светового конуса.

Для любой точки А, лежащей в верней части светового конуса (абсолютного будущего), sОА – временеподобный ( во всех системах событие А происходит после О). Для любой точки В, лежащей в нижней части конуса, sОВ –тоже временеподобный, однако во всех системах событие В происходит перед О.

Для любого события C и D, мировая точка которых лежит в абсолютно удаленных областях, интервалы sОС и sОD являются пространственно подобными, и следовательно, события О и С и О и D происходят в разных точках пространства. Понятие одновременности для этих событий относительно.

18. Импульс и энергия в специальной теории относительности, понятие массы покоя.

Релятивистское выражение для импульса и энергии.

Уравнения Ньютона и законы сохранения, полученные в классической механике, оказываются инвариантными по отношению к преобразованиям Галилея, но не к преобразованиям Лоренца. Необходимо найти такие выражение для импульса и энергии, чтобы ЗС были инвариантны по отношению к преобразованиям Лоренца при всех скоростях

, .

Из приведенных выражений видно, что в СТО возникает дополнительная (кроме кинетической и потенциальной) энергия, называемая энергией покоя

E = mc2

Из выражений для релятивистской энергии и импульса вытекает, что

Полученная величина является релятивистским инвариантом ( вектор энергии-импульса, {Е/с, рx, py, pz.}). Заметим, что энергия и импульс сами по себе инвариантами не являются, т.к. зависят от скорости и изменяются при переходе от одной системы к другой.

Отметим, что в релятивистской механике масса и энергия непосредственно связаны друг с другом: всякой изменение массы сопровождается изменением энергии покоя.

Пример. Образование и распад элементарных частиц. Дефект масс.

В классической механике Ньютона не существует частиц с нулевой массой ( под действием любой силы такое тело приобретало бы бесконечно большое ускорение). Согласно релятивистским выражениям для энергии и импульса существование частицы с нулевой массой возможно, если она движется со скоростью света.

Пример. Фотон, нейтрино.

19. Общая теория относительности, принцип эквивалентности, экспериментальные подтверждения.

В общей теории относительности Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета (НИСО).

Началась ОТО с принципа эквивалентности (сильного). Никакой эксперимент – ни механический, ни какой-либо другой – не дает возможность отличить инертную массу от гравитационной. (Пример: человек в лифте, движущемся в космическом пространстве с ускорением равным ускорению свободного падения так же чувствует себя, как в поле тяготения Земли). Следовательно, силы инерции, вызываемые ускорением, нельзя отличить от гравитационных сил.

С понятием пространства тесно связана геометрия. Самой древней геометрией является геометрия Евклида (геометрия на плоскости). В основе геометрии Евклида лежат 5 аксиом, которые определяют такие понятия как Точка, прямая, плоскость и их взаимное расположение. Пятая аксиома Евклида гласит: предположим, что имеется прямая линия и точка вне ее. Тогда через эту точку можно провести одну и только одну прямую параллельную данной прямой.

Немецкий математик Карл Гаусс заметил, что при переносе геометрии Евклида на искривленную поверхность (например, поверхность сферы) пятая аксиома перестает быть справедливой. В этом случае нет ни одной прямой параллельной данной. И сумма внутренних углов треугольника на такой поверхности больше 180о. Ученик Гаусса Георг Риман обобщил геометрию Гаусса на три и более измерений и придумал способ выполнения расчетов и предсказания результатов. Так возникла новая геометрия – геометрия Гаусса-Римана. Идеи Римана развили математики Риччи и Кристоффель. Вершиной их трудов стал очень красивый, но весьма абстрактный раздел математики – тензорное исчисление. Именно его использовал Эйнштейн при создании общей теории относительности.

Тензорное исчисление позволяло выразить принцип эквивалентности и принцип ковариантности математически.

Принцип ковариантности: законы физики не должны зависеть от системы координат.

Эйнштейн написал уравнения ОТО. Что же это за уравнения? В самом общем виде их можно записать так:

. Эти уравнения позволяли определить насколько и как именно искривлено пространство около данной массы.

Эйнштейн объединил искривленное пространство, тяготение и время в одну последовательную непротиворечивую теорию.

Экспериментальное подтверждение ОТО.

1. С помощью ОТО Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия. Результаты расчетов показали, что должно наблюдаться незначительное смещение орбиты в направлении большой полуоси (прецессия). Это явление было известно задолго до создания ОТО и механика Ньютона не могла это явление объяснить. Угол поворота орбиты, предсказанный Эйнштейном и измеренный совпали с точность до погрешности результата. Это был триумф ОТО.

2. Из СТО следовала взаимосвязь энергии массы . Луч света обладает энергией. Тогда на луч света, проходящий вблизи планеты гравитационное поле планеты (например, Солнца) должно действовать с силой. В гравитационном поле луч света получает ускорение и искривляется. Искривление лучей света вблизи поверхности Солнца к этому времени астрономы уже наблюдали. Эйнштейн об этом просто не знал. Дальнейшие эксперименты подтвердили правильность этого вывода.

3. Из уравнений ОТО следует расширение Вселенной, которое было подтверждено экспериментально (красное смещение).

Решения своих уравнений Эйнштейн не нашел. Он только показал, что при они сводятся к уравнениям Ньютона. То есть классическая механика является частным случаем ОТО.

В 1915-1916 годах немецкий астроном Карл Шварцшильд решил уравнение Эйнштейна для сферического распределения масс. Из его решений следовало, что при очень большой плотности материи пространство искривляется так сильно, что становится похожим на воронку. А куда ведет этот тоннель? Может быть в другую Вселенную? Расчеты показали, что для прохождения по тоннелю нужны скорости большие скорости света. А ОТО не разрешает двигаться со скоростями большими скорости света.

Во времена Эйнштейна были известны два поля: гравитационное и электромагнитное. Он пытался построить единую теорию поля, из которой получались бы все известные к тому времени уравнения. Сделать ему это не удалось. Может быть для этого нужна новая математика? (Ньютон создал механику после рождения дифференциального исчисления. Эйнштейн создал ОТО после создания тензорного исчисления).

20. Классическая термодинамика: три начала термодинамики. Понятие тепловой машины. Необратимость термодинамических процессов.

Великие основатели классической науки подчеркивали универсальность и вечный характер законов природы. Физика Ньютона претендовала на универсальность независимо от масштабов объектов. С точки зрения классической физики движение атомов, планет и небесных светил подчиняется единым законам. Поиск вечной истины, таящейся за изменчивыми явлениями природы, вызывал энтузиазм. Ученые пережили сильное потрясение, когда в ходе дальнейшего развития естествознания оказалось, что модели, изучаемые классической физикой, соответствуют лишь предельным, искусственно созданным ситуациям. Только искусственный процесс может быть детерминированным и обратимым. Все естественное непременно содержит элементы случайности и необратимости.

Первые признаки угрозы грандиозному построению великих классиков появились еще в начале 19 века. В это время впервые было дано описание явления, которое абсолютно немыслимо с точки зрения классической динамики, т.к. представляло собой необратимый процесс.

В 1811-м году французский математик и физик барон Жан-Батист Жозеф Фурье (1768-1830) сформулировал закон теплопроводности. Установленный Фурье результат был удивительно прост и изящен: поток тепла пропорционален градиенту температуры:

, (1)

где: – количество тепла, проходящего через некоторую поверхность S в единицу времени (количество энергии, передаваемой путем теплопередачи), единица измерения теплового потока Дж/с=Вт, – быстрота изменения температуры вдоль оси ОХ (проекция градиента температуры на ось ОХ, или, в частном случае – величина градиента температуры, если температура зависит только от х), – коэффициент теплопроводности, его размерность . Знак “–“ перед правой частью соотношения (1) указывает на то, что тепло распространяется в сторону уменьшения температуры.

Замечательно, что этот простой закон применим к веществу, в каком состоянии оно бы не находилось – твердом жидком или газообразном. Закон Фурье, если его применить к изолированному телу с неоднородным распределением температуры, описывает постепенное выравнивание температуры и установление равновесия – необратимый процесс.

Подобные явления описывались с помощью термодинамического метода. В термодинамическом методе макроскопический объект рассматривается как сплошная среда, не имеющая внутренней структуры. Вместо траектории – состояние. Состояние макросистемы характеризуется некоторым количеством величин – параметров. Эти величины характеризуют всю систему в целом, в разных точках среды могут иметь различные значения и изменяться с течением времени (неравновесное состояние).

Равновесным называется такое состояние, при котором в изолированной системе при отсутствии внешних воздействий все параметры системы приобретают постоянные значения.

В термодинамике вместо классического движения рассматривается переход из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние.

Еще в 18 веке были экспериментально установлены количественные соотношения между параметрами, характеризующими состояние газа - давление, объем, температура, масса.

Промышленная революция, начавшаяся в Западной Европе в первой трети 19 века, активизировала развитие естественных наук и инженерного творчества, и сформировала символ той эпохи – энергетический резервуар. Наука о теплоте стала практически востребованной. При изучении закономерностей превращения теплоты в механическую работу в тепловых двигателях и возникла термодинамика. Пионерские исследования, заложившие основы термодинамики принадлежат французскому инженеру и физику Сади Карно (1796-1832), немецкому физику-теоретику Рудольфу Клаузиусу (1822-1888) и австрийскому физику-теоретику Людвигу Больцману (1844-1906). Первоначальная задача сводилась к исследованию условий, при которых превращение теплоты в работу является наиболее оптимальным. Именно такую цель преследовал французский инженер и физик Сади Карно (1796-1832). Первые положения термодинамики были изложены в его сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г).

Термодинамика – это учение о связи и взаимопревращениях различных видов энергии, теплоты и работы.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов (начал), которые являются обобщением экспериментальных данных.

Первое начало устанавливает количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие.

Первое начало термодинамики(закон сохранения энергии):

 количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение работы над внешними телами ;

 невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получал извне энергию.

Второе начало определяет условия, при которых возможны эти превращения, то есть определяет возможные направления процессов.

Второе начало термодинамики:

 невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому;

 невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал это тепло полностью в работу.

21. Квантовая механика: Гипотеза Планка Объяснение фотоэффекта Эйнштейном и гипотеза корпускулярно-волнового дуализма. Волны де Бройля.

Квантовая механика

Представление о случайности как о фундаментальном свойстве природы послужило основой для возникновения квантовой физики, в которой потребовалось кардинально изменить исходные взгляды на устройство природы на микроуровне.

Рассмотрим некоторые экспериментально изученные явления, которые не могли быть объяснены с точки зрения классической физики. Период c 1900 по 1930 годы – это время «тридцатилетней войны» квантовой физики с классической.

Излучения абсолютно черного тела

Экспериментальное изучение излучения нагретых тел показало, что любое нагретое тело излучает ЭМ волны (свет) в широком диапазоне, причем интенсивность излучения сильно зависит от его частоты. Кроме того, было обнаружено, что при росте температуры тела частота, соответствующая максимуму интенсивности излучения, сдвигается в область более высоких частот.

Особый интерес представлял характер излучения «абсолютно черного тела», т.е. тела, способного поглощать при любой температуре все падающее на него ЭМ излучение. Внутри АЧ полости тепловое излучение непрерывно поглощается и излучается стенками полости, не выходя из нее. При этом энергия, излучаемая нагретым телом в единицу времени, равна поглощаемой им энергией. Измерения проводились благодаря маленькому отверстию в стенке полости, которое позволяло выйти наружу узкому пучку ЭМ волн.

В 1896 году группа немецких физиков во главе с Вильгельмом Вином создала суперсовременную по тем временам установку для исследования распределения интенсивности излучения по частотам в спектре теплового излучения АЧ тела. Эксперименты позволили установить соотношение между светимостью (мощностью излучения с единицы поверхности) и четвертой степенью абсолютной температуры

W=T4 (=5.67 10-8 Вт/м2 К4).

Был установлен закон Вина, связывающий длину волны, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру

= b/T (b=2.9 10-3 м К).

Было получено распределение интенсивности теплового излучения по частотам, которое по форме напоминала распределение Максвелла. При попытке получить аналитическое выражение, со всей полнотой описывающее экспериментально установленные закономерности, английские «классические физики» лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1948) использовали те же самые теоретические положения, что и Максвелл при создании МКТ. Рэлей и Джинс получили для спектральной плотности энергии (тепловой энергии, излучаемой единицей площади в единичном спектральном интервале) выражение

Это выражение хорошо описывало ход экспериментальной зависимости при низких частотах, но предсказывало бесконечный рост интенсивности в ультрафиолетовой области («ультрафиолетовая катастрофа»).

За решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), член Прусской академии, всецело стоявший на позициях классической физики, двадцать лет занимавшийся изучением проблем термодинамики. Исследуя необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением, Планк сделал предположение о том, что испускание и поглощение ЭМ энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями «квантами». Это предположение позволило ему блестяще описать экспериментальные данные. 14 декабря 1900 года Планк представил результаты своей работы Берлинскому физическому обществу – родилась квантовая механика.

Если Рэлей и Джинс предполагали, что ЭМ волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, то введенный Планком в физику квант света имеет энергию

E = h, (h=6.63 10-34 Дж с).

Несмотря на важность и революционность физических следствий предложенной формулы, на нее не обратили особого внимания до тех пор, пока Эйнштейн не дал первую общую интерпретацию постоянной Планка.

Явление фотоэффекта.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто в 1887 г. Генрихом Герцем (1875-1894). Он заметил, что проскакивание искры между заряженными шарами существенно облегчается, если один из шаров осветить ультрафиолетом. В 1888- 1889 г. А.Г.Столетов(1839-1896) систематически исследовал фотоэффект и обнаружил его основные закономерности:

1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;

3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет в 1898 г. Леннард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых частиц, установили, что это электроны.

Внешний фотоэффект представляет собой испускание электронов поверхностью металла, освещаемого светом. С точки зрения классической волновой теории увеличение интенсивности падающего на поверхность металла ЭМ излучения должно привести к увеличению кинетической энергии вылетающих с поверхности электронов. Однако эксперимент показал, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

В 1905 г. А.Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается некоторыми порциями ( квантами). Эйнштейн представил вылет электронов как результат столкновения фотона с энергией h и электрона металла. Уравнение фотоэффекта

h = Aвых +mV2макс/2

Для каждого конкретного металла, характеризуемого своим значением Авых, существует некоторая минимальная частота падающего света (или, соответственно, максимальная длина волны), при которой фотоэффект возможен. Это граничное значение определяет «красную границу» фотоэффекта

кр=Авых/h; кр=hc/ Авых.

Таким образом, свет не только испускается, но и поглощается в виде квантов.

Эйнштейн выдвинул радикально новое понятие: дуализм «волна-частица», свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его волновые и корпускулярные характеристики связаны соотношениями:

E = h, p =h/=hk.

В 1923 году выпускник Парижской Сорбонны принц Луи де Бройль обобщил идею Эйнштейна о дуализме «волна-частица» со света на материю. Де Бройль выдвинул гипотезу о том, что соотношение, связывающее импульс с длиной волны справедливо и для частиц вещества. По его предположению любой частице, имеющей импульс р, может соответствовать волна, длина которой определяется соотношением

 = h/p.

Соотношение де Бройля недолго оставалось гипотезой. Вскоре в опытах по дифракции электронов на кристаллической решетке были доказаны волновые свойства электронов.

22. Теория атома. Ядерная модель Резерфорда. Теория атома Бора. Квантовые числа, принцип запрета Паули.

К концу 19 века уже в течение 150 лет в Европейских физических лабораториях проводились опыты по исследованию светового излучения различных нагретых газов. С помощью различных оптических приборов было экспериментально установлено, что излучение невзаимодействующих друг с другом атомов состоит из отдельных спектральных линий. Линии в атомных спектрах расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, называемые спектральными сериями. Линейчатые спектры атомов имеют индивидуальную структуру, однако были выявлены общие закономерности.

В 1885 г. швейцарский школьный учитель математики Йохан Бальмер обнаружил, что длины волн серии линий атома водорода, лежащей в области видимого спектра связаны соотношением

 = R (1/n2 – 1/m2), R=3.29 1015 Гц – постоянная Ридберга, n и m – целые числа. Исходя из полученной формулы, Бальмер предсказал существования спектральных серий водорода в ультрафиолетовой и инфракрасной области, которые были обнаружены спустя 20 лет.

Частоты линий других атомов могут быть представлены в виде разность двух термов, имеющих более сложный вид, чем для атомов водорода.

Открытие радиоактивности

В первые годы ХХ века были обнаружены новые типы излучений - радиоактивные, названные , , и -излучением. Явление радиоактивности занимались Антуан Беккерель (1852-1908) и супруги Пьер (1859-1906) и Мари 1867-1934) Кюри.

Опыты Резерфорда

В 1907 г. профессор физики Манчестерского университета Эрнст Резерфорд (1871-1937), изучавший проблемы радиоактивности, и его сотрудники исследовали прохождение -частиц через тонкую металлическую фольгу. -частицы испускались некоторым радиоактивным веществом, имели скорость порядка 109 см/с и положительный заряд, равный удвоенному электронному. При прохождении через фольги большинство -частицы отклонялись от первоначального направления на некоторые незначительные углы. Оказалось однако, что некоторое количество -частиц отклоняется на углы порядка 1800 , что согласно классической теории рассеяния, возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное ЭМ поле, сконцентрированное в малом объеме и создаваемое зарядом большой массы.

Пример. Противоречие с моделью атома Томсона.

Атом – положительно заряженный шар, внутри которого находится электрон.

При отклонении электрона от положения равновесия возникает квазиупругая сила, под действием которой электрон будет совершать колебания и испускать упругие эл.магн. волны.

Основываясь на экспериментальных данных Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома:

 в центре атома расположено тяжелое положительно заряженное ядро с зарядом Ze и размерами, не превышающими 10-12 м;

 вокруг ядра расположено Z электронов, распределенных по всему объему, занимаемому атомом, размеры атома порядка

10-10 м.

В опытах Резерфорда отклонения -частиц обусловлено действием на них атомных ядер.

Вопрос о том, как конкретно электроны распределены вокруг ядра, оставался открытым. Резерфорд рассматривал возможность планетарной модели атома, согласно которой электрона вращаются вокруг атомного ядра. Ядерная модель, однако, оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в состоянии устойчивого равновесия, Резерфорду пришлось предположить, что электроны движутся вокруг ядра по криволинейным траекториям. Но в этом случае электрон движутся с ускорением, и согласно законам классической электродинамики он должен излучать эл.магн. волны, теряя при этом энергию, в результате чего должен в конечном счете упасть на ядро.

Модель атома Бора.

Молодой датский студент Нильс Бор, прибывший в Манчестер в группу Резерфорда, увлекся планетарной моделью атома. В начале 1912 года Бор подготовил для Резерфорда работу «О строении атомов и молекул», в которой предполагал, что в рамках планетарной модели могут существовать некоторые стационарные орбиты электронов, которые каким-то образом должны быть связаны с формулой Планка-Эйнштейна Е=h. Прорыв был сделан, когда Бор открыл для себя формулу Бальмера.

Для разрешения возникших противоречий в 1913 г. Нильс Бор предложил два постулата:

1. Из бесконечного числа электронных орбит, разрешенных классической механикой, в действительности реализуются только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находясь на такой орбите, не излучает ЭМ волн.

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина кванта энергии равна разности энергий стационарных состояний

h = Е1 – Е2

Согласно постулату Бора осуществляются только те электронные орбиты, для которых момент импульса кратен постоянной Планка

L = mvR = n h/2

(впервые предположение о квантовании момента импульса было опубликовано Никольсоном в 1912 году).

Используя классическое описание движения электрона как вращения в кулоновском поле ядра, Бор получил аналитические выражения для радиусов стационарных орбит и энергий соответствующих состояний атома:

, где r1=0.53 A= 0.53 10-10 м

, где Ry=-13.6 эВ.

Теория Бора позволила объяснить спектры атома водорода. Рассчитанное теоретически значение постоянной Ридберга лишь на несколько процентов отличалось от полученного Бальмером. Теория Бора сочетала в себе классический и квантовый подходы к описанию атомных процессов. Она явилась переходным этапом на пути создания квантовой механики, в настоящее время имеет, в основном, историческое значение.

Более тщательное экспериментальное изучение спектра атома водорода показало наличие большого числа спектральных линий, которое уже не описывались теорией Бора. Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), теоретик, профессор из Мюнхена, учел эллиптичность орбит электронов, что позволило объяснить дополнительные спектральные линии и потребовало введения дополнительного квантового числа I (орбитального квантового числа). В последнем десятилетии 19 века датчанин Питер Зееман (1865-1943) обнаружил, что в спектре возбужденных атомов водорода, помещенных в магнитное поле, появляются дополнительные спектральные линии (эффект Зеемана). Зоммерфельд предположил, что наблюдаемое явление расщепления спектральных линий в магнитном поле связано с разными ориентациями орбит электрона относительно внешнего поля. Зоммерфельд ввел в рассмотрение еще одно – магнитное квантовое число m.

Более тонкие эксперименты с магнитным полем позволили обнаружить дополнительные спектральные линии (аномальный эффект Зеемана), которые не описывались теорией Бора-Зоммерфельда. Проблемой АЭЗ заинтересовался швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули (1900-1958), который принял приглашение Бора работать в Копенгагене в 1922-23 гг. Размышления над природой АЭЗ привели Паули к мысли о том, что для электрона характерен некий дополнительный вращательный процесс, которому соответствует добавочный момент импульса. Паули предложил ввести в теорию атома четвертое квантовое число, которое может принимать только два значения. Паули стремился понять физическую суть явления и не спешил с публикацией. В то же время два молодых голландских физика Уленбек и Гаудсмит пришли к той же идее. Их руководитель профессор Пауль Эренфест направил их статью для публикации. Впоследствии Уленбек и Гаудсмит получили за эту работу Нобелевскую премию по физике.

Однако оставалось непонятным, почему все электроны в многоэлектронных атомах не переходят в основное состояние. Паули дал ответ на этот вопрос.

Принцип Паули

Итак, состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

главным n ( n=1, 2, …)

азимутальным l ( l=1, 2, …, n-1)

магнитным ml ( ml=-l,…,-1,0,+1,…,+l )

спиновым ms ( ms=+1/2, -1/2)

В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких доступных для них энергетических уровнях. Согласно принципу Паули, в одном и том же атоме ( или другой квантовой системе ) не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью квантовых чисел.

В атоме каждому n состоянию могут соответствовать n2 состояний, отличающихся { n, l, ml } , и кроме того спиновое квантовое число может принимать значения 1/2. Таким образом,

n=1 – 2 электрона,

n=2 – 8 электронов,

n=3 – 18 электронов и т.д.

Совокупность электронов, имеющих одинаковые значения главного квантового числа n, образует оболочку.

Значение n 1 2 3 4 …

Обозначение оболочки K L M N …

Принцип Паули дает объяснение повторяемости свойств атомов. Аналогичными свойствами обладают атомы с одинаковым количеством электронов во внешней оболочке (для полностью заполненной оболочки характерно равенство нулю суммарного орбитального и спинового моментов) ( см. периодическую систему элементов Менделеева : щелочные металлы, металлы, галогены, инертные газы).

Электронные волны в атоме.

Квантовые условия Бора получили простое объяснение на основе дуализма «волна-частица», примененного к находящимся на стационарных орбитах электронам. Связанные с электронами волны рассматривались как стоячие волны, подобные тем, что возникают на закрепленной с двух сторон струне. Тогда на длине орбиты должно укладываться целое число волн

2R = n .

Использую соотношение де Бройля, легко получить условие квантования момента импульса.

«Старая» квантовая теория, созданная Планком, Эйнштейном, де Бройлем, Резерфордом, Бором, Зоммерфельдом, Паули и др., смогла объяснить:

 спектр атома водорода;

 квантование энергии в стационарных состояниях атома;

 периодическую систему Менделеева.

Были заложены основополагающие идеи новой квантовой механики, однако полуклассическая теория не смогла ответить на многие важные вопросы.

23. Квантовая механика: волновая функция Шредингера, статистическая интерпретация волновой функции, принцип суперпозиции состояний.

Центрами исследований в области квантовой механики стали Копенгаген, Геттинген, Кембридж и Мюнхен. Над созданием новой науки работала целая плеяда выдающихся физиков. За короткий период в 12 месяцев, с июня 1925 года по июнь 1926 года, были опубликованы три оригинальных и независимо сделанных варианта полной квантовой теории:

 Матричная квантовая механика – Вернер Гейзенберг (1901-1976)

 Волновая механика – Эрвин Шредингер (1877-1961)

 Квантовая алгебра – Пауль Дирак (1902-1984)

Вскоре было показано, что все три варианта теории эквивалентны.

Наиболее наглядным является вариант теории Шредингера, основанный на концепции волн де Бройля. В развитие идей де Бройля о волновых свойствах вещества Шредингер сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой .

Явный вид -функции получается из решения уравнения Шредингера (1926 г.), которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики и играет для описания явлений микромира такую же роль, как и законы динамики Ньютона при описании движения в макромире. Для стационарных состояний

,

где Е- полная энергия частицы , U –потенциальная энергия во внешнем силовом поле.

Физическую интерпретацию -функции дал М.Борн в 1926 г. Согласно Борну квадрат модуля -функции определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах некоторого объема

Заметим, что интеграл от этого выражения по всему объему должен быть равен единице, т.к. выражает вероятность того, что частица находится в одной из точек пространства, т.е. вероятность достоверного события (условие нормировки).

Таким образом, квантовая механика имеет статистический характер. Она не позволяет определить местонахождение частиц в пространстве, а лишь предсказывает вероятность, с которой частица может быть обнаружена в различных точках пространства.

Одним из основных положений квантовой механики является принцип суперпозиции состояний. Пусть некоторая квантовомеханическая система может находиться в состоянии ’ и в состоянии ”. Тогда состояние существует состояние системы

= c1 1 + c22+…

где cn – некоторые постоянные. Квадраты модулей коэффициентов cn дают вероятность того, что при измерениях, производимых над системой, будут получены результаты, соответствующие нахождению системы в состоянии n.

Для частиц, находящихся в потенциальной яме (нуклоны в ядрах, атомы в молекулах, электроны в металлах), существует вероятность проникновения через потенциальный барьер, высота которого больше ее полной энергии – туннельный эффект.

Пример. Прохождение через барьер.

Пусть частица, движущаяся слева направо, встречает на своем пути потенциальный барьер высоты U0. По классическим представлениям, если энергия частицы больше высоты барьера, частица беспрепятственно проходит над барьером, Если же энергия частицы меньше высоты барьера, то частица отражается от барьера и летит в обратную сторону.

Согласно квантовой механике, имеется отличная от нуля вероятность, что частица отразится от барьера с UE, а с другой стороны, есть отличная от нуля вероятность того, что частица проникнет за барьер с UE. Эта вероятность сильно зависит от ширины барьера. Также коэффициент прохождения резко уменьшается при увеличении массы.

Туннельный эффект - существенно квантовое явление, невозможное по законам классической механики. Заметим, что в квантовой механике деление энергии на кинетическую и потенциальную не имеет смысла, т.к. противоречит принципу неопределенности.

24. Основные концепции неклассического естествознания: концепция корпускулярно-волнового дуализма, принцип неопределенности Гайзенберга. Принципы дополнительности и соответствия Н. Бора.

Микрочастицы (элементарные частицы, а также молекулы, атомы, ядра атомов и пр.) представляют собой образования особого рода, сочетающие в себе свойства и частицы, и волны (корпускулярно-волновой дуализм). Противоречие: отличие частицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое, в то же время волну можно разделить на части (дифракция электрона).

Микрообъекты не способны воздействовать непосредственно на наши органы чувств. Изучая их, нельзя опираться на наш непосредственный опыт, т.к. он связан с макроскопическими объектами, подчиняющимися классическим законам. Поэтому нельзя строить наглядные модели поведения квантовых объектов (непоследовательность атомной модели Бора ).

Одновременное наличие у микрочастицы волновых и корпускулярных свойств приводит к тому, что она не обладает одновременно определенными значениями импульса и координаты, вследствие чего понятие траектории утрачивает смысл ( или может быть определено, но только с некоторой степенью точности, камера Вильсона).

Принцип неопределенности.

Своеобразие микрочастиц проявляется в том, что не для всех динамических переменных могут быть одновременно получены точные значения. Так, любая микрочастица не может иметь одновременно точных значений координаты и импульса

p x  h/2 и энергии и времени

E t  h/2 Эти соотношения называются соотношениями неопределенности, а утверждение о том, что произведение неопределенностей двух сопряженных переменных не может быть по порядку величины больше постоянной Планка называется принципом неопределенностей Гайзенберга ( 1927 г.).

Соотношение неопределенностей является фундаментальным принципом квантовой механики, позволяющих получить ряд важных результатов.

Пример. Если бы электрон упал на ядро, то его координата и импульс одновременно имели бы точное значение, что несовместимо с принципом неопределенности.

Соотношение неопределенностей является предпосылкой недетерминистского статистического описания микрообъектов. Оно отражает вероятностный характер поведения микрочастиц, в результате чего вместо классической траектории для микрочастицы следует использовать распределения вероятности обнаружения частицы в разных точках пространства.

Соотношение неопределенностей является конкретным выражением более общего положения – принципа дополнительности Бора:

При экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах., либо о поведении в пространстве и времени. Эти две взаимоисключающие картины – энергетически-импульсная и пространственно-временная, -получаемые при взаимодействии объекта с соответствующими макроскопическими измерительными приборами, дополняют друг друга.

С тоски зрения принципа дополнительности соотношение неопределенностей можно рассматривать как способ сохранить возможность описания неклассических объектов с помощью классических понятий – координаты и импульса путем ограничения области совместного применения этих понятий.

Принцип дополнительности не ограничивается микромиром, а является очень широким методологическим принципом науки вообще:

Всякое истинно глубокое явление природы не может быть однозначно определено c помощью одного понятия, а требует для своего определения по крайней мер двух взаимоисключающих дополнительных понятий (физическая картина – математическое описание) На вопрос, какое понятие дополнительно к понятию истинности, Бор ответил: «ясность».

25. Основные концепции неклассического естествознания: неклассическая концепция измерения. Концепция моделирования состояния. Вероятностный характер законов.

В микромере ни один объект не является полностью независимым. Состояние микрообъекта чувствительно к любому неконтролируемому воздействию порядка кванта действия (постоянной Планка). В микромире отдельный объект рассматривается лишь по отношению к целостной системе, свойства которой и обуславливают конкретный характер проявления микрообъекта.

Это выражается в неклассической концепции неконтролируемого и неустранимого случайного воздействия окружения, которое учитывается в понятии микросостояния, а также в неклассической концепции измерения.

Прибор является макроскопическим окружением для микрообъекта и сам является источником некоторого состояния микрообъекта, которое обнаруживается в измерении.

Соотношение неопределенностей ограничивает экспериментально достижимую точность измерения характеристик квантовых объектов. При точном измерении координаты микрочастицы ее импульс благодаря взаимодействию с макроскопическим измерительным прибором претерпевает неконтролируемое изменение. Причем речь идет не о погрешности измерения, а о принципиальном ограничении на информацию о квантовом объекте, выраженную языком классической физики.

Концепция моделирования состояния

В классическом подходе к описанию природы моделируется сам объект с помощью его «точно» установленных характеристик. В квантовой механике моделируется не сам объект, а его состояние, которое задается вероятностями тех или иных значений характеристик микрообъекта. Сами вероятности задаются волновой функцией, полученной в результате решения уравнения Шредингера.

Решение уравнения Шредингера для микрочастицы, находящейся в потенциальной яме приводит к квантованию энергии:

Энергия локализованной микрочастицы изменяется не непрерывно, как в классической механике, а дискретно.

При этом минимально возможная энергия не рана нулю. О квантовом объекте с минимальной энергией говорят, что он находится в состоянии нулевых колебаний. Нулевые колебания являются фундаментальным свойством всех квантовых систем вплоть до физического вакуума. В квантовой теории поля вакуум представляется не пустотой, а нулевым состоянием квантовых полей, флуктуации которого проявляются как непрерывный процесс рождения и исчезновения виртуальных частиц. Под действие достаточно сильных полей виртуальные частицы могут превращаться в реальные.

Квантовая механика дала естествознанию несколько принципиально новых методологических открытий:

 Невозможность ограничиться наглядными образами и простыми механистическими моделями, когда мы выходим за рамки повседневного опыта;

 В природе приоритетную роль играют вероятностные, статистические законы; закономерности динамического типа носят подчиненный характер;

 Мы пытаемся представить цельный, но не представимый из-за своей многомерности микрообъект, изучая его отдельные, но воспринимаемые нами проекции, дополняя одну проекцию другими (принцип дополнительности).

26. Неклассическая стратегия научного мышления

 Признание случайности фундаментальным свойством природы;

 Отказ от логики «или-или» в пользу логики «и-и». Согласно этой логике электрон может обладать и волновыми, и корпускулярными свойствами и находиться одновременно в разных местах;

 Невозможность экранирования исследователя от объекта изучения: так, электрон обнаруживает волновые или корпускулярные свойства в зависимости от выбранной исследователем аппаратуры для наблюдения.

 Неклассическая рациональность не разрушает представлений об объективности научного знания, однако воспринимает объективность с учетом взаимоотношения исследователя и системы.

 Классическая и неклассическая стратегии мышления имеют свои области применения.

Неклассическая ментальность характеризуется целостным отражением мира в виде сложной системы взаимодействия частей и целого. Мир многогранен, во многом непредсказуем и в то же время закономерен. Человек как часть окружающего мира составляет с ним единое целое.

27. Современная космологическая модель: образование и эволюция Вселенной. Теории инфляции и Большого взрыва.

Первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой была неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные пять планет, Солнце и Луна. За последней сферой располагался ад и рай (система Птолемея). Гелиоцетрическая система была разработана Н.Коперником (1514 г.). В 18 веке с появлением законов Ньютона в небесной механике возникло представление о бесконечной Вселенной, при этом пространство рассматривалось как однородное и изотропное, а время – как абсолютное и однородное. В 19 веке было развито представление о Вселенной, как бесконечной в пространстве, но неизменной во времени. Это была стационарная космологическая модель.

Первая современная космологическая модель была предложена Эйнштейном в 1917 г., как следствие общей теории относительности. В ОТО и СТО Эйнштейн предположил, что пространство и время не абсолютны, а относительны и связаны между собой.

В 1922 г. российский математик А.А.Фридман показал, что из уравнений ОТО следует нестационарность, т.е. развитие Вселенной: искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана, хотя первоначально считал, что Вселенная статична.

Следующим этапом стало создание теории расширяющейся Вселенной. Их астрономических наблюдений было установлено, что кроме нашей Галактики (звездного скопления под названием «Млечный путь») существует огромное количество других галактик.

По смещению видимой части ЭМ излучения к красному или фиолетовому концу спектра можно установить относительное движение источника света и наблюдателя (эффект Доплера). Для всех наблюдаемых галактик наблюдается «красное смещение», из чего следует, что они удаляются от нас. Именно это явление в 1929 г. впервые наблюдал американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-195), чем и подтвердил расширение Вселенной. Согласно законы Хаббла скорость разбегания галактик V=H r, где r – расстояние до галактики, Н – постоянная Хаббла. Значение постоянной Н позволяет установить, как давно начали разбегаться галактики. Расчеты показали, что возраст Вселенной примерно 13.7 млрд. лет.

В настоящее время наиболее точные асторономические наблюдения, проведенные с помощью космического телескопа им.Хаббла, обращающегося по орбите вокруг Земли, позволили определить постоянную Хаббла в интервале Н=55…75 км/(с·Мпк).

Главным методом измерения внегалактических расстояний является метод «стандартной свечи», заключающийся в следующем: выбирается класс объектов с известной мощностью излучения (светимостью). С помощью астрономических инструментов измеряется поток излучения, который ослабляется пропорционально квадрату расстояния j=L/(4pr2). Отсюда вычисляется расстояние до объекта.

• 1 парсек = 3.26 светового года (расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом 1’’)

• 1 световой год = с · 1год = 9.46 ·1012 км» 1013 км

• 1 астрономическая единица = 149600 тыс км – среднее расстояние от Земли до Солнца

Наиболее разработанная к настоящему времени космологическая теория – теория Большого Взрыва, предложенная в 1948 г. американским физиком Г.Гамовым. В основе теории БВ лежит предположение о том, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, в момент которого все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Теория БВ описывает эволюцию Вселенной, начиная с 10-35 с после ее образования. До этого момента теоретическое описание эволюции Вселенной не является завершенным. Одна из теорий, теория инфляции, описывает интервал времени от 10-43 до 10-35 с. предполагается, что до этого физический вакуум находился в состоянии, которое называется «ложным вакуумом». Он обладает ненулевой плотностью энергии, нестабилен и может самопроизвольно переходить в обычный вакуум за счет туннельного эффекта. Благодаря «подбарьерному просачиванию» в среде ложного вакуума возникают области обычного вакуума, которые называются пузырями. Одним из таких пузырей и явился зародышем нашей Вселенной. Из других пузырей появились другие вселенные, не связанные с нашей причинно-следственными связями и потому для нас ненаблюдаемые.

Сочетание модели инфляции и теории БВ называют обобщенной моделью эволюции Вселенной или стандартной космологической моделью.

28. Современная космологическая модель: основной космологический принцип. Теории открытой и пульсирующей Вселенной. Антропный принцип.

Теория эволюции Вселенной дает ответы далеко не на все вопросы, например неясен пока характер дальнейшей эволюции Вселенной. Теория допускает два сценария: бесконечное расширение (модель открытой Вселенной) и смена расширения сжатием, возвращение в сверхплотное и сверхгорячее состояние, после чего следует цикл нового расширения (модель пульсирующей Вселенной). Реализация того или иного варианта зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность не превышает некоторого критического значения, то реализуется модель открытой Вселенной, в противном случае Вселенная пульсирует. Современные данные свидетельствуют в пользу модели открытой Вселенной, однако возможно, что открытие новых космических объектов изменит ситуацию.

Легче всего оценить плотность светящегося вещества, которая составляет 0.5% критической. Однако во Вселенной есть и несветящееся, невидимое вещество, называемое темной энергией или темной массой. Самый первый довод в пользу существования темной материи, основанный на изучении движения галактик, привел швейцарский астроном Фриц Цвикки (30-е годы ХХ века) – массы галактик недостаточно, чтобы удержать их от разлета. Если бы не было скрытого вещества, составляющего более 90% галактик, то они распались бы за несколько миллиардов лет, в то время их возраст составляет около 13 млрд лет.

В настоящее время считается, что большая часть невидимой материи существует в виде принципиально несветящегося вещества, состоящего из частиц, крайне слабо взаимодействующих с обычным веществом, светом и друг с другом (нейтрино). Наилучшее совпадение с данными наблюдений имеет космологическая модель, в которой плотность примерно равна критической, при этом на вакуум приходится 65%, на холодную темную материю – 30%, на барионную скрытую массу – 5%, на нейтрино и видимое вещество – по 0.5%.

Фундаментальные константы и антропный принцип.

Во всех разделах физики приходится иметь дело с постоянными величинами, т.н. константами. Существует ограниченный набор физических постоянных, связанных с важнейшими физическими теориями, которые называются фундаментальными константами.

Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые,

электромагнитные, атомные и физико-химические. Фундаментальные

константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В современном естествознании считается, что мировые константы стабильны, начиная со времени 10-35 начиная с рождения Вселенной.

М. Планк предлагал добавить к первым трем фундаментальным константам постоянную Больцмана (к=1.38 1023 Дж/(К моль), т.к. она устанавливает связь между микроскопическими характеристиками частицы и макроскопическим состоянием системы.

Установлено, что существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной связано возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. Расчеты показали, что их малые изменения на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур, а следовательно и образование высокоорганизованной живой матери. Вопрос о причинах попадания численных значений мировых констант в узкий диапазон, обеспечивающий возникновение разумной жизни, нашел отражение в антропном принципе, предложенном Г.Идлисом в 1958 г. И Б.Картером с 1974 г. Антропный принцип сформулирован в слабом и сильном вариантах:

Слабый антропный принцип – на свойства Вселенной накладывает ограничение наличие разумной жизни;

Сильный антропный принцип – свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно существовала жизнь.

Антропный принцип – пример взаимозависимости фундаментальных вопросы естествознания и мировоззренческих вопросов. В тех областях, где недостаточность знания существует принципиально, большую роль играют вненаучные факторы, эстетические предпочтения или религиозное мировоззрение. Антропный принцип признает некий высший порядок, выбравший реализованный вариант эволюции Вселенной.

Антропный принцип не отвергает также возможность существования других Вселенных. Предполагая, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах и применяя антропный принцип, можно прийти к выводу о закономерности возникновения и широком распространении жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип с точки зрения физики и философии отвергает возможность уникальности земной жизни.

29. Образование Вселенной

Неизбежные флуктуации привели к небольшим (0.001%) неоднородностям, которые затем преобразовались в галактики и другие крупномасштабные скопления материи. С другой стороны, нет оснований полагать, что неоднородности образовывались преимущественно в некоторых частях пузыря или по выделенным направлениям. Поэтому Вселенная в больших своих фрагментах является однородной и изотропной, во всех частях Вселенной все явления и процессы подчиняются единым законам.

В период с 10-43 до 10-35 с материя существовала в виде излучения и сверхгорячей плазмы из множества рождающихся и аннигилирующих частиц и антицастиц. Для эволюции нашей Вселенной оказалось существенным, что число частиц и античастиц различалось примерно на 10-7% в пользу частиц. Поэтому в процессе последующей аннигиляции античастицы исчезли полностью, а весьма малый реликтовый остаток вещества (10-7%) образует нашу современную Вселенную.

До момента инфляции существовал, вероятно, только один тип фундаментальных взаимодействий – Суперсила. Непосредственно до 10-43 с отделилась гравитация. В период завершения инфляции

(10-36 – 10-35 с) при температуре 1028 К от великого объединения отделилось ядерное взаимодействие. Примерно через 10-10 с электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. С этого момента до наших дней в природе проявляются все четыре фундаментальных взаимодействия.

Период с 10-35 до 10-4 с называется эрой адронов. К концу этой эры кварки объединились в адроны. Возникли и лептоны, но температуры еще слишком высоки (1028 – 1012 К), нуклоны не могут образовать устойчивые ядра и удержать электроны в атомах.

В период с 10-4 до 10 с Вселенная остывает до 1010 К и наступает эра лептонов. Аннигиляция между электронами и позитронами завершилась с избытком электронов. С участие лептонов идут реакции между протонами и нейтронами.

Далее наступает эра фотонов, длившаяся от 10 с до 106 лет. Температура убывает от 1010 до 4000 К. Основная энергия Вселенной приходится на фотоны, т.к. уже прошла аннигиляция частиц и античастиц.

При охлаждении Вселенной до 109 К (300 с) возникли условия, при которых за счет объединения протонов и нейтронов стали образовываться изотопы водорода и гелия. К моменту 10000 лет нейтроны были полностью израсходованы на образование гелия (25%), оставшиеся протоны проявились в дальнейшем как ядра водорода (75%). Это соотношение примерно сохраняется до наших дней.

После образования ядер легких элементов вещество еще долго представляло собой плазму. После снижения температуры до 4000К электроны стали удерживаться вблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Произошло разделение вещества и излучения. Излучение стало распространяться по Вселенной свободно, охлаждаясь по мере расширения Вселенной. В настоящее время излучение имеет температуру порядка 3К. что соответствует микроволновому радиоизлучению. Это излучение и называется реликтовым. Экспериментально обнаруженное реликтовое излучение имеет температуру 2.7 К.

Через 106 лет после начала эволюции Вселенной наступила эра звезд, или эра вещества, которая продолжается и в наше время. Постепенно под действием гравитации первичные неоднородности в распределении вещества превратились в огромные газовые сгущения, которые затем разделились на галактики. Дальнейшее дробление привело к распаду галактик на протозвезды, из которых затем образовались звезды.

 Звезда – гигантский плазменный шар, длительно находящийся в устойчивом состоянии благодаря гидродинамическому и тепловому равновесиям.

 Галактики – гигантские (до сотен млрд звезд) звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации.

 Метагалактика – совокупность галактик, движущихся в видимой нами части Вселенной.

В настоящее время обнаружено более миллиарда галактик, каждая из которых имеет от нескольких миллионов до многих тысяч миллиардов звезд. Наша галактика Млечный путь содержит 1011 звезд, сосредоточенных в объеме, имеющем форму диска диаметром около 100 тыс. св. лет, а толщина – 1500 св. лет., со спиральными рукавами. Солнце расположено на краю спирального рукава, называемого Орион на расстоянии около 30 тыс. св. лет от ядра галактики.

Спиральные галактики – один из основных видов галактик (до 50%). Звезды и межзвездное вещество спиральных галактик вращаются вокруг ядра. Солнце за время своей эволюции ( 5 млрд лет) совершила около 25 оборотов вокруг ядра галактики со скоростью 250 км/с.

Ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака (расстояние – 200 тыс. св.лет) и Туманность Андромеды (1800 тыс. св.лет).

Отметим, что современная теория эволюции Вселенной дает ответы далеко не на все вопросы, например неясен пока характер дальнейшей эволюции

30. Образование и эволюция звезд. Черные дыры.

Современные методы изучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода и гелия, причем лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, а большая часть распределена в межзвездном пространстве. В зависимости от первоначального состава межзвездной пыли наблюдаются два типа звездных тел.

Большинство звезд состоит в основном из водорода (60…90%) и гелия (10…40%) и тяжелых элементов (0.1…3%). Такие звезды называются звездами населения 1. Тяжелые элементы образуются при вспышках т.н. новых звезд или при взрывах сверхновых. Наше Солнце с 74% водорода, 24% гелия и 2% тяжелых элементов есть обычная звезда населения 1.

Звезды населения 2 образуются в основном из первичного водорода и гелия и содержат очень мало тяжелых элементов.

В процесс конденсации межзвездной пыли сопровождается освобождением энергия частиц и соответствующим увеличением температуры. При температурах 107 К и плотности 100 г/см3 начинаются термоядерные реакции. В первой термоядерной реакции участвует лишь водород: происходит слияние двух протонов в результате слабых взаимодействий. После образования дейтерия начинаются еще две дополнительные реакции, конечным результатом которых является слияние четырех ядер атома водорода в ядро атома гелия. При этом выделяется 27 МэВ.

p + p  d + e+ + 

d + p  23He + 

23He + 23He 24He + p + p

Эта реакция называется протон-протонной цепочкой. Она является основным источником энергии Солнца. Солнце ежесекундно выделяет 4 1026 Вт.

Термоядерные реакции, протекающие внутри звезд, сопровождаются испусканием -квантов. ЭМ излучение обладает импульсом, т.е. оказывает радиационное давление. Когда давление, обусловленное гравитацией, уравновешивается радиационным давление, сжатие звезды прекращается.

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществляться еще одна цепочка реакций, в результате чего также происходит превращение четырех ядер водорода в гелий, а углерод служит катализатором. Т.к. в этой последовательности участвуют и образуются углерод и азот, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Такие звезды более массивные и яркие, примером является Сириус, одна из самых ярких звезд Северного полушария.

За эволюцией звезд позволяют следить две основные характеристики: собственная светимость и цвет. На диаграмме зависимости светимости от цвета звезду можно изобразить точкой, которая движется по мере жизни и угасания звезды. Начальное положение звезды зависит от ее массы: более массивные оказываются более горячими и яркими, а менее массивные – холодными и тусклыми. Для стабильных звезд диаграмма светимость-цвет образует т.н. главную последовательность.

По мере уменьшения количества водорода внутри звезды она сжимается. Это приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии, что приводит к увеличению радиационного давления. Внешние слои звезды расширяются. В результате чего температура падает, излучаемый свет становится более красным, и звезда смещается вправо от главной последовательности. Этот процесс расширения идет до тех пор, пока диаметр заезды не увеличится в 200-300 раз, и звезда становится красным гигантом.

Чёрная дыра́ — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда

Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых лет

Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой их существование следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр, но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей (см.: Альтернативные теории гравитации). Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрных дыр звёздных масс. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.

Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре — например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения, так как наблюдательные проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света.

31. Эволюция Солнца. Понятие солнечной активности, солнечного ветра. Солнечная система.

Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за огромного количества выделившейся энергии, а затем в результате расширения поглотит ее останки. По расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 млрд лет.

Время пребывания обычной звезды в стадии красного гиганта составляет около 107 лет. Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме светимость-цвет. В этот период у большинства звезд нарушается равновесие, и они начинают пульсировать, изменяя свою светимость. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды. Если она меньше 1.4 солнечной массы («легкая» звезда), то израсходовав ядерное топливо, она охлаждается и в конце концов угасает. При этом она проходит через стадию неустойчивости, во время которой происходит периодическое возрастание светимости. Резкое возрастание светимости фиксируется как рождение новой звезды. Далее стадия «новой» звезды переходит в стадию белого карлика, затем, после дальнейшего охлаждения – в стадию красного карлика, и наконец – в черного карлика.

Эволюция звезды, масса которой больше 1.4 массы Солнца, кончается эффектным взрывом, и это считается рождением сверхновой звезды. После взрыва сверхновой возникают высокие давления и температуры, создаются условия для образования нейтронов. Поскольку для нейтроном электростатическое отталкивание отсутствует, под действием тяготения нейтронное вещество коллапсирует, образуя маленький сверхплотный шар. Плотность в нем столь велика, что распад нейтрона оказывается запрещенным. Такие звездные тела называются нейтронными звездами.

В 1968 г. были обнаружены объекты, являющиеся источником переменного радиоизлучения с частотой пульсации около 1 Гц. Они получили название пульсаров. Голд предложил модель, согласно которой пульсар – это вращающаяся нейтронная звезда. Время жизни пульсара 108 лет.

В начале 60-х годов были обнаружены радиоисточники, связанные с объектами голубого цвета, напоминающими звезды. Их назвали квазизвездами, или квазарами. Происхождение и строение квазаров в настоящее время неясно. Однако установлено, что для них характерно сильное красное смещение, следовательно можно предположить, что квазары – наиболее удаленные и быстро движущиеся объекты во вселенной.

Согласно современным представлениям до 90% вещества Вселенной находится в неизвестном состоянии, т.е. имеется «скрытая» от наблюдателя масса. Американский физик Уиллер в 1969 г. предложил термин черная дыра для космического объекта со скрытой массой. ЧД возникает в результате сжатия космического объекта, если его масса превышает массу Солнца в три раза. Сжатие такого объекта невозможно предотвратить никакими силами, и звезда превращается в ЧД с радиусом примерно 3 км. На границе ЧД вторая космическая скорость, необходимая для удаления от данного космического тела, равна скорости света. Это означает, что никакое природное явление или взаимодействие не может выйти за предела ЧД. У нее такое большое гравитационное поле, что даже ЭМ излучение не может ее покинуть.

Существование ЧД можно описать в рамках ОТО, позволяющей для любого объекта, имеющего массу рассчитать т.н. гравитационный радиус, или радиус сферы Шврцшильда, первым решившего уравнение Эйнштейна для сферически симметричного распределения масс. Так, гравитационный радиус Солнца равен примерно 3 км, а для Земли – примерно 1 см.

Наличие сильного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т.е. ЧД искривляет пространство и тормозит время. В этом смысле ОТО рассматривает ЧД как «кладбище» всего того, что она успела захватить.

В 1975 г. С.Хокинг показал, что гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает из вакуума пары частиц, одна из которых захватывается ЧД, а другая улетает в окружающее пространство, т.е. получается, что ЧД может излучать частицы разных видов, т.е. ЧД постепенно рассеивается в космическом пространстве. Так происходит круговорот материи во Вселенной. Аннигиляция частиц и античастиц приводит к мощному -излучению, по которому можно обнаружить ЧД. Предполагается, что в центре Галактики находится ЧД массой в 106 масс Солнца.

Эволюция Солнечной системы.

О Солнечной системе достаточно много известно из астрономических наблюдений, астрофизических исследований, из сведений, собранных космическими аппаратами, а также полученных в результате исследования космических излучений и метеоритов, попадающих на Землю.

Солнечная система включает в себя центральное тело (Солнце), группу ближайших к нему планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс), астероидный пояс из десятков тысяч более удаленных мелких планет (астероидов), группу внешних планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), Плутон, который недавно был признан не планетой, а астероидом, около 90 спутников планет, неопределенного числа комет и межзвездную среду в виде плазмы, космической пыли, ЭМ излучения и потоков элементарных частиц. Кроме того открыто около 70 внесолнечных планет, которые относятся к другим системам, существенно отличающимся друг от друга.

Наше Солнце- типичная звезда-карлик спектрального класса G-2 – светящийся газовый шар, не имеющий четкой границы, плотность его убывает постепенно, но благодаря фотосфере создается иллюзия, что Солнце имеет поверхность. Химический состав: 90% водорода, 10% гелия, остальные элементы – менее 0.1% (по числу атомов). Источник солнечной энергии – термоядерные реакции. Энергия их недр переносится излучением, а в тонком внешнем слое – конвекцией. С конвективным движением связано существование т.н. солнечных пятен.

Регулярные наблюдения за пятнами на Солнце ведутся с 1610 г. – изобретения телескопа. Известны 11-летние циклы солнечной активности. Периоды высокой и низкой солнечной активности совпадают с изменением земного климата. За весь охваченный исследованиями период Солнце никогда не было таким активным, как за последние 60 лет.

Большая часть светового потока Солнца испускается фотосферой в виде ЭМ излучения видимого и инфракрасного диапазона. Над фотосферой расположена корона Солнца – самая нестабильная оболочка Солнца. Горячая плазма, истекающая из короны, формирует солнечный ветер – поток ионов (90% - протоны, 4% - альфа-частицы) и электронов. Скорость солнечного ветра 800-900 км/с. Солнечный ветер и магнитное поле заполняют собой всю солнечную систему. Земля и другие планеты находятся фактически в короне Солнца.

Существуют хорошо разработанные математизированные теории, описывающие движение тел Солнечной системы (космическая механика). В настоящее время наиболее изучены космические излучения и метеориты, падающие на Землю, сама Земля и ее спутник Луна. Суммарная масса планет составляет примерно 1/743 массы Солнца. Орбиты планет лежат примерно в одной плоскости. Все планеты кроме Венеры вращаются с запада на восток, Венера вращается в противоположном направлении. Планеты заметно отличаются по составу: гигантские внешние планеты содержат больше водорода, гелия, воды, метана, внутренние – больше тяжелых элементов. Как правило, по мере удаления от Солнца содержание компонент убывает по ряду: Fe, Ni  O, Si, Mg  H2O, CH4. Состав метеоритов отражает состав остальных тел Солнечной системы. В метеоритах обнаружено около 100 различных минералов, 80 из них встречается на Земле. Преобладают каменные метеориты.

Первые научные концепции возникновения и эволюции Земли возникли примерно 250 лет назад. Первая гипотеза связана с катастрофическим, одномоментным выбросом вещества из Солнца с образованием планет, связанное с критическим сближением Солнца и большой кометы (Ж.Л.Бюффон, 17 век). Вторая концепция предполагает длительное формирование Солнечной системы за счет процесса конденсации разреженной космической среды под действием сил гравитации (гипотеза И.Канта и М.Лапласа, 18 век). Современная космогоническая теория придерживается второй версии.

Наличие в составе тел Солнечной системы, помимо водорода и гелия, тяжелых элементов свидетельствует о том, что протопланетная среда возникла, по крайней мере, частично, в результате взрыва сверхновой. Первичная туманность, участвуя в общем вращении с Галактикой, обладает некоторым вращательным моментом, что препятствует ее сжатию до большой плотности в едином центре. Расчеты показали, что при определенных условиях вращения, фрагменты первичной туманности могут сжиматься до образования одиночных устойчивых звезд типа Солнца. В процессе эволюции каждой такой звезды вокруг нее формируется газопылевой диск. За примерно 106 лет центр диска превращается в относительно медленно вращающееся Солнце с массой 2 1030 кг, а быстро вращающаяся внешняя часть диска позднее превращается в систему планет, их спутников и астероидов с общей массой 0.1 массы Солнца. Близость состава тел солнечной системы, движение этих тел по схожим орбитам указывает на общность формирования всей Солнечной системы.

Астероиды и кометы представляют собой остатки роя допланетных тел. Крупнейшие астероиды (> 100 км) образовались еще до образования планет, а мелкие и средние образовались при столкновении и разрушении крупных. Происхождение комет связано с влиянием ближайших звезд на наиболее удаленные малые тела планетной системы, что еще больше смещало эти тела и вытягивало их орбиты.

Система спутников планет образовалась примерно по той же схеме, что и планетная система в целом. Исключение составляют спутники, вращающиеся в противоположном направлении. Таких спутников крайне мало, они есть только у Юпитера, Сатурна и Нептуна. Их происхождение связано с захватом планетами пролетавших рядом малых небесных тел. Этот процесс захвата позволил Солнцу и планетам довольно хорошо очистить Солнечную систему от мелких тел и космической пыли. Так, Земля каждые сутки захватывает примерно 260 000 т метеоритного вещества.

На примере образования Солнечной системы видно, как многочастичная полностью хаотизированная система постепенно превращалась в детерминированную систему космических макротел, движение которой весьма точно описывается классической механикой. Солнце, планеты и их спутники, астероиды и кометы образуют единую самоорганизующуюся систему, в которой при определенных условиях, реализовавшихся, по крайней мере, на одной планете, возникла разумная жизнь.

Со́лнечный ве́тер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство.

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе магнитные бури и полярные сияния.

В отношении других звёзд употребляется термин звёздный ветер, так что по отношению к солнечному ветру можно сказать «звёздный ветер Солнца».

32-33. Эволюция Земли. Строение Земли. Литосфера. Гидросфера

Для эволюции Земли наиболее важными оказались те процессы, которые касались тонкого поверхностного слоя планеты (литосферы, гидросферы, атмосферы). Эти условия соответствуют довольно узким диапазонам изменения температуры окружающей среды, ее состава, давления, гравитационного и ЭМ полей. В эволюции формы Земли основную роль играла сферическая симметрия гравитационного поля. Однако из-за вращения и других причин Земля не является точной сферой, а ближе к эллипсоиду вращения.

Модель земных недр:

 Твердая земная кора толщиной 30-60 км на континентах и 3-17 км в океанах;

 Мантия, достигающая глубины 3000 км;

 Ядро земли, внешняя часть которого жидкая (до глубины 5000 км), а внутренняя часть радиусом 1500 км – предположительно твердая.

Существует несколько моделей эволюции Земли. По одной из них современной строение Земли возникло из первоначально гомогенной протопланеты в результате плавления и переноса более тяжелых компонентов в глубинные области. Другая модель предполагает, что уже в ранний период образования протопланеты сперва конденсировались тяжелые в частицы, образуя ядро, а затем на него оседали более легкие конденсаты в виде силикатов, постепенно образуя мантию планеты.

Скорее всего, ядро Земли возникло в результате интенсивного захвата зарождающимся ядром тяжелых фракций космической пыли, а затем – усилившегося захвата легких фракций. Одновременно протекал процесс дифференциации ядра и мантии.

Жидкая фаза в недрах Земли присутствует до сих пор, что подтверждается выбросами лавы при извержении вулкана. Источником нагрева Земли являются: солнечное излучение, гравитационное сжатие, приливное трение, распад радиоактивных изотопов, удары захватываемых Землей космических тел. Последний источник был особенно важен не ранних стадиях формирования Земли. Наиболее мощным и распределенным по всему объему планеты было выделение энергии радиоактивного распада короткоживущих радиоактивных изотопов, почти исчезнувших к настоящему времени. Солнечное излучение нагревает только тонкий поверхностный слой планеты.

Земная кора вместе с подстилающим ее слоем мантии образует литосферу. Литосфера «плавает» на верхнем слое мантии, называемом астеносферой. Подстилающие земную кору слои пластичны и подвижны. В этих слоях имеют место горизонтальных и вертикальные перемещения вещества мантии, приводящие к разломам в земной коре, ее делению на фрагменты, к их взаимному перемещению и погружению в мантию. Такие фрагменты называются литосферными плитами. По линиям разломов имеет место вулканическая активность. Такая модель строения Земли подтверждается прямыми геологическими и геофизическими исследованиями.

На всех этапах эволюции Земли происходила дегазация твердого и жидкого материала, в результате чего возникла первичная атмосфера. Из нее конденсировалась вода – возникла гидросфера.

Первичная атмосфера была обогащена углекислым газом. Глобальное изменение атмосферы наступило около 2 млрд лет назад и связано с фотосинтезирующей деятельностью растений. В результате атмосфера обогатилась кислородом и стабилизировалась по составу, что в сочетании с прочими благоприятными условиями обеспечило возможность возникновения и развития разнообразных форм жизни на Земле.

Атмосферу можно разделить на несколько слое:

 Тропосфера (высота 8-17 км) обеспечивает круговорот воды в природе;

 Стратосфера (до 55 км) содержит повышенную концентрацию озона, защищающего все живое от действия ультрафиолетовых лучей;

 Ионосфера (выше 55 км) защищает от космического излучения и отражает радиоволны, обеспечивая глобальную радиосвязь.

Для жизни наиболее важна та часть Земли, в которой обитают живые существа, т.е. биосфера. Она включает в себя все живое, гидросферу, те области литосферы и атмосферы, в которых обнаруживается жизнь. Масса всего живого составляет 10-4 массы атмосферы, однако ее современный состав в значительной степени зависит от жизнедеятельности представителей флоры и фауны, включая практическую деятельность человека.

Таким образом в результате эволюции в сложной открытой материальной системе самопроизвольно возникает из вещества в элементарной форме и хаотизированном состоянии упорядоченная сложная многоуровневая конструкция – планета, дающая начало еще более сложной самоорганизующейся и самоподдерживающейся системе – живой материи.

Литосфе́ра (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.

Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящен раздел геологии о тектонике плит.

Литосфера под океанами и континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толща составляет 5 - 10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.

Гидросфе́ра (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — совокупность всех водных запасов Земли.

В общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2 % — подземные воды, около 2 % — льды и снега, около 0,02 % — поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой.

Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

34. Атмосфера Земли. Магнитосфера. Радиационные пояса.

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера(около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера(около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами: утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство; химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов. Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела. Альтернативное определение: Магнитосфе́ра — область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела. Форма и размеры магнитосферы определяются силой внутреннего магнитного поля этого небесного тела и давлением окружащей плазмы (солнечного ветра). Все планеты, имеющие собственное магнитное поле, обладают магнитосферой: Земля, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Меркурий и Марс обладают очень слабыми магнитосферами, а также Ганимед, один из спутников Юпитера (но его магнитосфера целиком находится в пределах магнитосферы Юпитера, что приводит к их сложным внутренним взаимодействиям). Ионосферы слабо намагниченных планет, как например Венера, частично отклоняют поток солнечного ветра, но они не имеют магнитосферы как таковой.

Термин магнитосфера также используется для описания регионов, где доминирует магнитное поле других небесных тел, например звёзд, пульсаров и пр.

Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны). Радиационный пояс Ван Аллена, от англ. Van Allen radiation belt.

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E1-5 МэВ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

35. Химия: основные законы (сохранения массы, постоянство состава, периодический закон Менделеева)

Химия – экспериментальная наука. В химии успешно используется индуктивный подход, согласно которому на основе имеющихся фактов выявляются более или менее общие закономерности, а затем создаются общие модели.

В настоящее время химия состоит из следующих разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и химия высоко молекулярных соединений. Все эти разделы осуществляют решение двух крупных задач:

 Получение веществ с заданными свойствами;

 Исследование генезиса (происхождения) веществ.

Решение этих задач предполагает проведение исследований элементного молекулярного состава веществ, структуры молекул вещества, термодинамических и кинетических условий химического процесса, природы реагентов, процессов самоорганизации и эволюции химических соединений.

Химия – очень древняя наука. До нашей эры химия развивалась, в основном, в древнем Египте и арабских странах. Накопленные знания не выходили, однако, за пределы феноменологического уровня. Были описаны свойства веществ и устанавливались некоторые закономерности их взаимодействия, но сущность явлений очень часто подменялась мистической интерпретацией. В Западной Европе развитие химии было, с одной стороны, тесно связано с развитием техники, а с другой стороны химия продолжала быть тесно связана с религиозно-философскими представлениями, т.е. оставалась «алхимией».

Становление химии проходило на основе двух законов: сохранения массы и постоянства состава.

 Закон сохранения массы: полная масса замкнутой системы остается постоянной, т.е. в результате химической реакции не происходит измеримого увеличения или уменьшения массы (закон Ломоносова-Лавуазье);

 Закон постоянства состава: всякое химическое соединение, независимо от способа получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом соотношении (французский химик Ж.Пруст, 1800-1880 гг.).

Однако, универсальным законом химии считается периодический закон химических элементов Д.И.Менделеева: свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения атома; они закономерно изменяются в зависимости от атомного номера в таблице элементов.

36. Химический элемент и химическое соединение. Химические связи. Структурная концепция.

В основу систематизации свойств химических элементов Менделеевым была положена концептуальная идея зависимости свойств элементов от атомной массы. Он доказал, что признаком химического элемента является не экспериментально установленная неразложимость данного вещества (как считалось раньше), а место в периодической системе, определяемое атомной массой.

Проблема химического элемента вышла за рамки классического представления о веществе. Место элемента в периодической системе получило новый смысл, связанный со структурой атома. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов. Химические свойства атомов определяются характером заполнения электронных орбит.

Во времена Менделеева было известно 62 элемента. В 1930 годы Система элементов заканчивалась ураном (Z=92). С начала 40-х годов Система пополнялась путем физического синтеза. Элементы №93-96 (нептуний, калифорний, амерций, кюрий) открыли в 1940-1949 гг., элементы №97-101(берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий) стали известны в 1949-1952 гг. В последующие годы исследование новых элементов продолжилось, однако элементы, начиная со 102 неустойчивы, а начиная со 110 – настолько короткоживущие, что могут распасться в момент образования. Однако есть предположения, что устойчивыми могут быть элементы с номерами 124, 164, 184, их еще предстоит открыть.

Химические элементы образуют химические соединения в соответствии с законом постоянства состава. С точки зрения атомного строения вещества, атом легче вступает в химические реакции, если он имеет незаполненные электронные оболочки. Атом отдает или приобретает электроны на свою внешнюю электронную оболочку в зависимости от валентности – способности атома к образованию химической связи. Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов, которое приводит к заданной конфигурации атомов, отличающей одни молекулы от других. Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотношении, объединенных определенной химической связью, является химическим веществом.

Ионная связь

Атомы могут терять или приобретать электроны, превращаясь в ионы (анионы и катионы). Анионы и катионы с полностью заполненной электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионами и катионами возникает электростатическое притяжение. Химическая связь такого рода называется ионной связью. Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлом I и II групп и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (например, NaCl).

Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется парой электронов, обобществленных между двумя соседними атомами (например, Н2, О2)

Металлическая связь

Металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов. Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки квазисвободными электронами. Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешним, или валентными электронами. Эти электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а делокализованы между положительными ионами.

Структурная концепция

В соответствии со структурной концепцией молекулы представляют собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее. Химические связи в молекуле имеют пространственное распределение, а форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу (линейные молекулы, уголковые молекулы). Комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формы любого химического соединения, т.е. находить путь химического синтеза.

Однако с практической точки зрения важным явилось и знание химической активности реагентов. Созданная А.М.Бутлеровым теория химического строения объяснила причины химической активности одних веществ и пассивности других. Позже теория Бутлерова нашла обоснование на основе квантовой механики.

Химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонент (атомов) больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой. Образование такой химической связи происходит с выделением энергии, такие реакции называются экзотермическими.

Видно, насколько энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей. Становится также понятно, почему углерод и азот так распространены в окружающем нас мире – их двойные связи самые прочные.

Чтобы разорвать химическую связь, необходимо затратить энергию, называемую энергией химической связи. В двухатомных молекулах энергия связи и энергия диссоциации молекул совпадают. В многоатомных молекулах они могут различаться. Одним из способов сообщения достаточной энергии является поддержание необходимой температуры.

37. Химический процесс и химическая система. Реакции Белоусова-Жаботинского. Катализаторы. Химическая эволюция.

Представление о химических связях и реакциях тесно связано с понятиями химической системы и химического процесса. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики.

Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых химических соединений и сопровождаются выделением энергии. Скорость реакции зависит от температуры, при этом каждая молекула проходит стадию активации. Катализаторы уменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции. Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.

В современной химии важнейшее значение имеет проблема поиска эффективных катализаторов для различных химических технологий. В то же время в биохимии установлено, что основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, и являются биологическими катализаторами. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма. Биокатализаторы обладают высокой селективностью – один фермент катализирует обычно только одну реакцию.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Примером самопроизвольных периодических химических реакций является реакция окисления лимонной кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г. При этом чередовались окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Роль процессов самоорганизации катализаторов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем.

Одна задач из эволюционной химии – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».Есть два подхода к изучению предбиологических систем:

 Синергетический, который в химии получил название функционального;

 Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.

Результатом субстратного подхода является накопление информации о роли отдельных химических элементов и структур в ходе химической эволюции. В настоящее время известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%. Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.

Таким образом, наблюдается резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов. Это явление не связано с распространенностью элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, а углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем.

С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам:

 Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи;

 Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.

Поэтому углерод был отобран эволюцией как органон №1. Он участвует почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов).

Углеродные атомы создают связи с атомами H, N, O, P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул. Таким образом, лабильные атомы (S, P, Fe) имеют большое значение в биохимии, а стабильные атомы (SI, Al, Na) играют второстепенную роль. Кислород и водород можно рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных.

Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологической эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать). В природе происходит отбор тех соединений, которые получаются относительно большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром.

В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности каталитических групп. Следующим фрагментом эволюции, сливающим химическую и биологическую линии эволюции, является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Согласно теории развития элементарных открытых каталитических систем (1964 г., профессор МГУ А.П.Руденко), химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода хемогенеза в биогенез (т.е. зарождение живого).

38. Основные концепции происхождения жизни. Отличие живой материи от неживой.

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.

В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый, основоположник современной микробиологии Луи Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.

Важно подчеркнуть, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путем.

Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас ... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ".

Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

Наряду с теорией абиогенного происхождения жизни существуют и другие гипотезы. Так, в 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии.

Панспермия - гипотеза о повсеместном распространении во Вселенной зародышей живых существ. Согласно панспермии, в мировом пространстве рассеяны зародыши жизни (например, споры микроорганизмов), которые движутся под давлением световых лучей, а попадая в сферу притяжения планеты, оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.

Гипотеза А.И.Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами.

Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Существует несколько подходов к определению живого вещества:

1. выделение основных свойств, отличающих живое от неживого - питание, дыхание, самовоспроизводство, а также различные оптические свойства живого и неживого: живое всегда оптически активно, т.е. молекулы обладают общей асимметрией и поляризуют свет, косное же вещество - минералы - имеют разные виды симметрии;

2. витализм (греч. vita - жизнь, vitalis - жизненный) - всё живое обладает душой (некоторые религии, впрочем, лишь человека наделяют душой); сущность и явления жизни объясняются наличием в организмах некоего нематериального начала - жизненной силы, души, энтелехии (греч. entelecheia) - последний термин имеется в философии Аристотеля и означает достижение цели, осуществляемое нематериальным деятельным началом, движителем материи;

3. редукционный подход - основан на клеточном строении организмов, клетка - это основа единства живых организмов.

39. Биология. Строение и основные функции клетки.

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические молекулы, - предел химической эволюции вещества. Следующий принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным – живая материя. Живая природа (коротко - жизнь) является предметом изучения биологии. Живая природа отличается от других форм организации материи по ряду признаков:

• Любой живой организм, начиная с бактерии, состоит из большого числа атомов – макроскопичность. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.

• Организм содержит одновременно объект совокупность множества взаимодействующих элементов, обеспечивающие разнообразные биохимические процессы – гетерогенность;

• Все живые организмы имеют сходный химический состав (97% состава определяются шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор);

• Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет биологический вид. С другой стороны, конечность жизни живых систем создает условия для их эволюции (сменяемости и совершенствования);

• Свойство всего живого – раздражимость, которая проявляется в виде реакции на воздействие извне;

• Живая система обладает дискретностью, т.е. состоит из отдельных элементов, взаимодействующих между собой. Система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов. В то же время живой системе присуще свойство целостности – все ее элементы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом.

Согласно определению живого, данному академиком М.В.Волькенштейном

жизнь есть свойство существования макроскопических гетерогенных открытых сильно неравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, о формах и развитии живого, распространенности живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природы.

Три концептуальных уровня биологического знания:

Описательно-натуралистическая (традиционная) биология имеет долгую историю. Ее метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача – их классификация (биологическая систематика).

Физико-химическая биология (экспериментальная) исследует молекулярный уровень живого с использованием методов рентгено-структурного анализа, электронной спектроскопии и др. Имеет большое прикладное значение как основы многих новейших направлений медицины.

Эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая изучение механизмов эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации. Концепция структурных уровней живого включает представления о соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов.

Молекулярно-генетический уровень – на нем совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. Биохимической основой этого уровня являются белки.

Белки- органические соединения входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, т.к. состоят из большого числа повторяющихся и сходных по составу низкомолекулярных соединений (мономеров). В состав белка входит 20 аминокислот (мономеров), различные сочетания и перестановки которых обеспечивают множество вариантов.

Характерным свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что они способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча. Это означает, что свойством живой материи является ее молекулярная асимметрия (молекулярная хиральность).

Клеточный уровень. Любой организм состоит из клеток (в простейшем случае – из одной клетки). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и служит первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра (прокариоты), которые исторически являются предшественниками клеток, имеющих ядра (эукариотов). К миру живого относятся также вирусы – мельчайшие неклеточные организмы, размером от 20 до 300 нм (примерно в 50 раз мельче бактерий), которые находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.

Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются клетки, различные по строению и функциям. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 мкм до 155 мм (яйцо страуса). Живой организм может содержать миллиарды разнообразных клеток.

В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

40. Биология. Свойства ДНК и РНК. Понятие гена. Генетический код.

Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Дальнейшие исследования позволили выявить то специфическое, что на молекулярном уровне отличает живое от неживого. Наиболее важным было выделение из ядра клетки веществ, обладающих свойствами кислот, и названными нуклеиновыми кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемой сокращение РНК (рибонуклеиновая кислота), с другой – ДНК (дизоксирибонуклеиновая кислота). Способность клеток поддерживать высокую организацию зависит от т.н. генетической информации, которая сохраняется в ДНК. ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. ДНК состоит из двух мономерных цепей, закрученных одна вокруг другой. Генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех нуклеотидных оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, т.к. каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи (цепи комплиментарны). Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей – G и С или А и Т. Удвоение (репликация) ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит основой, на которой собирается комплиментарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются две дочерние двуспиральные, не отличимые по строению от родительской ДНК молекулы.

ДНК, находящиеся в клетке, составляют основу хромосомы. В хромосомах находятся гены – участки молекулы ДНК, содержащие информацию об одном из набора белков организма.

Генети́ческий код - это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам,

Свойства генетического кода

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин

Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии)

41. Законы генетики. Генная инженерия. Генномодифицированные организмы.

Законы Менделя 1.Закон единообразия гибридов первого поколения

2.Закон расщепления признаков

3.Закон независимого наследования признаков

1. Проявление у гибридов признака только одного из родителей Мендель назвал доминированием.

При скрещивании организмов, различающихся по одной паре контрастных признаков, за которые отвечают аллели одного гена, первое поколение гибридов единообразно по фенотипу и генотипу. По фенотипу все гибриды первого поколения характеризуются доминантным признаком, по генотипу всё первое поколение гибридов гетерозиготное

Этот закон также известен как «закон доминирования признаков». Его формулировка основывается на понятии чистой линии относительно исследуемого признака — на современном языке это означает гомозиготность особей по этому признаку. Мендель же формулировал чистоту признака как отсутствие проявлений противоположных признаков у всех потомков в нескольких поколениях данной особи при самоопылении.

При скрещивании чистых линий гороха с пурпурными цветками и гороха с белыми цветками Мендель заметил, что взошедшие потомки растений были все с пурпурными цветками, среди них не было ни одного белого. Мендель не раз повторял опыт, использовал другие признаки. Если он скрещивал горох с желтыми и зелеными семенами, у всех потомков семена были желтыми. Если он скрещивал горох с гладкими и морщинистыми семенами, у потомства были гладкие семена. Потомство от высоких и низких растений было высоким. Итак, гибриды первого поколения всегда единообразны по данному признаку и приобретают признак одного из родителей. Этот признак (более сильный, доминантный), всегда подавлял другой (рецессивный).

2. Закон расщепления, или второй закон Менделя.

Скрещиванием организмов двух чистых линий, различающихся по проявлениям одного изучаемого признака, за которые отвечают аллели одного гена, называется моногибридное скрещивание. Закон расщепления: при моногибридном скрещивании во втором поколении гибридов наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 : около 3/4 гибридов второго поколения имеют доминантный признак, около 1/4 — рецессивный.

Явление, при котором скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несет доминантный признак, а часть — рецессивный, называется расщеплением. Следовательно, расщепление — это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определенном числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.

3. Закон независимого наследования (третий закон Менделя) — каждая пара признаков наследуется независимо от других пар и дает расщепление 3:1 по каждой паре (как и при моногибридном скрещивании). Когда скрещивались растения, отличающиеся по нескольким признакам, таким как белые и пурпурные цветы и желтые или зелёные горошины, наследование каждого из признаков следовало первым двум законам и в потомстве они комбинировались таким образом, как будто их наследование происходило независимо друг от друга. Первое поколение после скрещивания обладало доминантным фенотипом по всем признакам. Во втором поколении наблюдалось расщепление фенотипов по формуле 9:3:3:1, то есть 9/16 были с пурпурными цветами и желтыми горошинами, 3/16 с белыми цветами и желтыми горошинами, 3/16 с пурпурными цветами и зелёными горошинами, 1/16 с белыми цветами и зелёными горошинами.

Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Генети́чески модифици́рованный органи́зм (ГМО) — живой организм, генотип которого был искусственно изменён при помощи методов генной инженерии. Такие изменения, как правило, производятся в научных или хозяйственных целях. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного, характерного для естественного и искусственного мутагенеза.

Основным видом генетической модификации в настоящее время является использование трансгенов для создания трансгенных организмов.

42. Биологическая эволюция. Теории Ламарка и Дарвина. Синтетическая теория эволюции.

В биологии, эволюция — это изменение наследственных признаков популяции организмов в течение нескольких поколений. Изменения вызываются взаимодействием трёх основных процессов: вариабельности, воспроизведения и селекции. Гены, которые передаются потомству, в результате выражения образуют сумму признаков организма (фенотип). При воспроизведении организмов у их потомков появляются новые или изменённые признаки, которые возникают в результате мутации или при переносе генов между популяциями или даже видами. У видов, которые размножаются половым путём, новые комбинации генов возникают при генетической рекомбинации. Эволюция происходит, когда наследственные различия становятся более частыми или редкими в популяции.

Существуют два основных эволюционных механизма. Первый — это естественный отбор, то есть процесс, в результате которого наследственные признаки, благоприятные для выживания и размножения, распространяются в популяции, а неблагоприятные становятся более редкими. Это происходит потому, что особи с благоприятными признаками размножаются с большей вероятностью, поэтому больше особей следующего поколения имеют те же признаки. Адаптации к окружающей среде возникают в результате накопления последовательных, мелких, случайных изменений и естественного отбора варианта, наиболее приспособленного к окружающей среде.

Второй основной механизм — это генетический дрейф, независимый процесс случайного изменения в частоте признаков. Генетический дрейф происходит в результате вероятностностных процессов, которые обуславливают случайные изменения в частоте признаков в популяции. Хотя изменения в результате дрейфа и селекции в течение одного поколения довольно малы, различие в частотах накапливаются в каждом последующем поколении и со временем приводят к значительным изменениям в живых организмах. Этот процесс может завершиться образованием нового вида. Более того, биохимическое единство жизни указывает на происхождение всех известных видов от общего предка (или пула генов) в результате процесса постепенной дивергенции.

Эволюционная биология изучает эволюционные процессы и выдвигает теории для объяснения их причин. Изучение окаменелостей и разнообразия видов живых организмов к середине XIX века убедило большинство учёных, что виды изменяются с течением времени. Однако механизм этих изменений оставался неясен до публикации в 1859 году книги Происхождение видов английского учёного Чарльза Дарвина о естественном отборе как движущей силе эволюции. Теория Дарвина и Уоллеса, в конечном итоге, была принята научным сообществом. В 30-х годах прошлого века идея дарвиновского естественного отбора была объединена с законами Менделя, которые сформировали основу синтетической теории эволюции (СТЭ). СТЭ позволила объяснить связь субстрата эволюции (гены) и механизма эволюции (естественный отбор).

Ламарк ввёл в обращение и ещё один термин, ставший общепринятым — «биология» (в 1802 году). Он сделал это одновременно с немецким учёным Г. Р. Тревиранусом и независимо от него.

Ламаркисты (ученики Ламарка) создали целую научную школу, дополняя дарвиновскую идею отбора и «выживания наиболее приспособленного» более благородным, с человеческой точки зрения, «стремлением к прогрессу» в живой природе.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) — современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие.

Синтетическая теория в её нынешнем виде образовалась в результате переосмысления ряда положений классического дарвинизма с позиций генетики начала XX века. После переоткрытия законов Менделя (в 1901 г.), доказательства дискретной природы наследственности и особенно после создания теоретической популяционной генетики трудами Р. Фишера (1918—1930), Дж. Б. С. Холдейна-младшего (1924), С. Райта (1931; 1932), учение Дарвина приобрело прочный генетический фундамент.

Статья С. С. Четверикова «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» (1926) по сути стала ядром будущей синтетической теории эволюции и основой для дальнейшего синтеза дарвинизма и генетики. В этой статье Четвериков показал совместимость принципов генетики с теорией естественного отбора и заложил основы эволюционной генетики. Главная эволюционная публикация С. С. Четверикова была переведена на английский язык в лаборатории Дж. Холдейна, но никогда не была опубликована за рубежом. В работах Дж. Холдейна, Н. В. Тимофеева-Ресовского и Ф. Г. Добржанского идеи, выраженные С. С. Четвериковым, распространились на Запад, где почти одновременно Р. Фишер высказал очень сходные взгляды о эволюции доминантности.

Толчок к развитию синтетической теории дала гипотеза о рецессивности новых генов. Говоря языком генетики второй половины XX века, эта гипотеза предполагала, что в каждой воспроизводящейся группе организмов во время созревания гамет в результате ошибок при репликации ДНК постоянно возникают мутации — новые варианты генов.

Влияние генов на строение и функции организма плейотропно: каждый ген участвует в определении нескольких признаков. С другой стороны, каждый признак зависит от многих генов; генетики называют это явление генетической полимерией признаков. Фишер говорит о том, что плейотропия и полимерия отражают взаимодействие генов, благодаря которому внешнее проявление каждого гена зависит от его генетического окружения. Поэтому рекомбинация, порождая всё новые генные сочетания, в конце концов создает для данной мутации такое генное окружение, которое позволяет мутации проявиться в фенотипе особи-носителя. Так мутация попадает под действие естественного отбора, отбор уничтожает сочетания генов, затрудняющие жизнь и размножение организмов в данной среде, и сохраняет нейтральные и выгодные сочетания, которые подвергаются дальнейшему размножению, рекомбинации и тестированию отбором. Причем отбираются прежде всего такие генные комбинации, которые способствуют благоприятному и одновременно устойчивому фенотипическому выражению изначально мало заметных мутаций, за счет чего эти мутантные гены постепенно становятся доминантными. Эта идея нашла выражение в труде Р. Фишера «The genetical theory of natural selection» (1930). Таким образом, сущность синтетической теории составляет преимущественное размножение определённых генотипов и передача их потомкам. В вопросе об источнике генетического разнообразия синтетическая теория признает главную роль за рекомбинацией генов.

Считают, что эволюционный акт состоялся, когда отбор сохранил генное сочетание, нетипичное для предшествующей истории вида. В итоге для осуществления эволюции необходимо наличие трёх процессов:

1) мутационного, генерирующего новые варианты генов с малым фенотипическим выражением;

2) рекомбинационного, создающего новые фенотипы особей;

3) селекционного, определяющего соответствие этих фенотипов данным условиям обитания или произрастания.

Все сторонники синтетической теории признают участие в эволюции трёх перечисленных факторов.

Важной предпосылкой для возникновения новой теории эволюции явилась книга английского генетика, математика и биохимика Дж. Б. С. Холдейна-младшего, издавшего её в 1932 году под названием «The causes of evolution». Холдейн, создавая генетику индивидуального развития, сразу же включил новую науку в решение проблем макроэволюции.

Крупные эволюционные новшества очень часто возникают на основе неотении (сохранение ювенильных признаков у взрослого организма). Неотенией Холдейн объяснял происхождение человека («голая обезьяна»), эволюцию таких крупных таксонов, как граптолиты и фораминиферы. В 1933 году учитель Четверикова Н. К. Кольцов показал, что неотения в животном царстве широко распространена и играет важную роль в прогрессивной эволюции. Она ведет к морфологическому упрощению, но при этом сохраняется богатство генотипа.

Практически во всех историко-научных моделях 1937 год был назван годом возникновения СТЭ — в этом году появилась книга украино-американского генетика и энтомолога-систематика Ф. Г. Добржанского «Genetics and the Origin of Species». Успех книги Добржанского определялся тем, что он был одновременно натуралистом и экспериментальным генетиком. «Двойная специализация Добржанского позволила ему первому перебросить твёрдый мост от лагеря экспериментальных биологов к лагерю натуралистов» (Э. Майр). Впервые было сформулировано важнейшее понятие об «изолирующих механизмах эволюции» — тех репродуктивных барьерах, которые отделяют генофонд одного вида от генофондов других видов. Добржанский ввёл в широкий научный оборот полузабытое уравнение Харди-Вайнберга. Он также внедрил в натуралистический материал «эффект С. Райта», полагая, что микрогеографические расы возникают под воздействием случайных изменений частот генов в малых изолятах, то есть адаптивно-нейтральным путем.

43. Человек, как результат биологической эволюции. Трудовая теория происхождения человека.

Наиболее древним является религиозное представление о происхождении человека. Религии свойственна вера в божественное творение жизни и человека. Согласно религиозным взглядам, человек отличается от представителей животного мира тем, что получает от Бога бессмертную душу.

Во второй половине XIX века возникла эволюционная теория происхождения человека, связанная с переворотом, осуществленным Ч. Дарвином в биологии. Дарвин выдвинул идею появления различных видов животных в ходе эволюционного развития. В основе эволюции, по Дарвину, лежит естественный отбор. Главную причину изменчивости организмов он видел в изменении окружающих условий жизни. В процессе борьбы за существование выживают те животные, которые в наибольшей степени приспосабливаются к меняющимся условиям существования. Дарвинисты сравнивали анатомию, прежде всего головного мозга человека и обезьяны, исследовали ископаемые черепа вымерших «предков» человека. В строении, физиологических признаках всех исследуемых объектов обнаруживались черты несомненного сходства. В итоге был сделан вывод о том, что человек произошел от обезьяны, трансформиро-вавшейся затем в теорию происхождения человека от ныне вымершего вида обезьян через ряд промежуточных стадий.

Современная наука критически относится к ряду аспектов теории Дарвина, но другой, более убедительной теории эволюции пока нет. Дарвинизм впервые представил человека как продукт биологической эволюции.

Религиозная и эволюционная концепции происхождения человека подвергались серьезной критике за их односторонность. Необходимо было найти третий путь в изучении проблемы происхождения человека. Таким путем пошел Ф. Энгельс, изложивший в работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» трудовую теорию происхождения человека. С одной стороны, по его мнению, на возникновение человека оказала влияние природа. С другой стороны, возникновению человека способствовал труд, ставший основой существования человеческого общества. Трудовая деятельность, как полагал Энгельс, присуща только людям, и именно она явилась главной причиной выделения человека из животного царства. Труд способствовал развитию общения между людьми, сплачивал их, возникала членораздельная речь. Труд и членораздельная речь вели к совершенствованию головного мозга человека. Благодаря теории Ф Энгельса человек предстал как продукт не только биологической, но и социальной эволюции.

По оценкам современных ученых, превращение человекообразных обезьян (гоминидов) в людей не могло быть мгновенным, одноактным событием. Антропогенез, т. е. процесс становления и развития человека, носил длительный эволюционный характер и был неразрывно связан с социогенезом – процессом становления и развития общества. Это две стороны единого по своей природе процесса – антропосоциогенеза, длившегося 3-3,5 млн. лет.

Проблема происхождения человека продолжала волновать ученых, философов и в ХХ веке. Огромное влияние на теоретическую мысль оказали представители философской антропо-логии М. Шелер, А. Гелен, Х. Плеснер, сделавшие вывод, что человек – вовсе не венец творения, а по критериям животного существования «человек – биологически недостаточное существо», «неспециализированное» и «незавершенное», со слабо выраженными инстинктами.

Пытаясь дать объяснение этому явлению, многие ученые утверждали, что влияние трудовой деятельности и коллективности бытия на процесс эволюционного развития организмов выражалось не только в том, что приобретались новые телесные и психические свойства и способности, но и происходило отмирание тех животных средств, которые препятствовали формированию новых, собственно человеческих отношений. Прежде всего, это затрагивало те органы и системы тела, которые отвечали за поведение. Есть и такие ученые, которые полагают, что слабая выраженность инстинктов у человека вызвана вовсе не развертыванием социальности, а имеет изначально природное происхождение.

Из факта несовершенства биологической природы человека немецкий философ первой половины ХХ века Э. Кассирер выводит феномен культуры. Человек как биологическое существо оказался обреченным на вымирание, он был приговорен к поискам экстремальных способов выживания. Не имея четкой инстинктуальной программы, не ведая как вести себя в конкретных природных условиях, человек бессознательно стал присматриваться к другим животным, более прочно укорененным в природе. Как бы преображаясь то в одно, то в другое существо, человек в итоге не только выстоял, но постепенно выработал определенную систему ориентиров, которая надстраивалась над инстинктами, по-своему дополняя их. Так появляется созданная самим человеком программа жизнедеятельности, культура. Животное воздействует на внешний стимул непосредственно, у человека ответ должен подвергнуться еще мысленной обработке. Человек живет уже не просто в физическом, но и в символическом мире. Этот символический мир мифологии, языка, искусства, религии, постоянно развивается, изменяя самого человека. Таким образом, человек – это продукт не только биологической и социальной, но и культурной эволюции.

Огромное значение в развитии науки о происхождении человека имеют вопросы, подробно рассмотренные Энгельсом в его известной работе „Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека" (1876). В ней Энгельс убедительно раскрыл картину формирования человека под влиянием труда и наметил определенную последовательность в развитии существенных органов нашего тела.

Начальным этапом процесса выделения человека из животного мира Энгельс считает усвоение какой-то необычайно развитой породой человекообразных (антропоморфных) обезьян прямой походки (прямохождения). „Этим был сделан решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку" .

При прямой походке рука освободилась для совершения трудовых операций.

Однако только у человека рука стала вполне свободной и могла совершенствоваться в ловкости, гибкости и мастерстве. С данного момента и началась ее бурная эволюция по пути все большего приспособления к трудовым операциям. Приобретенные человеком навыки и свойства передавались по наследству и закреплялись в последующих поколениях.

Таким образом, рука не только орган, но и продукт труда. При этом имеются в виду больше функциональные, чем анатомические изменения органа. Энгельс подчеркивает, что общее расположение костей и мышц на руке одинаково у человека и у обезьяны, но человеческая рука может производить сотни работ, совершенно недоступных обезьяне. Он также отмечает, что под влиянием развития рук и их деятельности произошли изменения и в организме человека.

Труд расширял кругозор людей, сплачивал их в более тесные коллективы, общение в которых привело к появлению и развитию речи. Это вполне понятно: у формировавшихся людей в трудовом процессе постоянно появлялась „потребность что-то сказать друг другу. Потребность создала себе свой орган: неразвитая гортань обезьяны медленно, но неуклонно преобразовывалась путем модуляции для все более развитой модуляции, а органы рта постепенно научались произносить один членораздельный звук за другим".

Под влиянием труда и языка постепенно совершенствовался мозг человека. Он, в свою очередь, тоже оказывал соответствующее влияние на язык и труд. Вместе с человеком рождалось человеческое общество, резко отличавшееся от стада обезьян, в первую очередь трудом и общением.

Трудовая деятельность человека как охотника и рыболова привела его к постоянному потреблению мяса - более питательного продукта, чем растительная пища. Это способствовало необычайному сокращению процесса пищеварения, что позволило увеличить расход энергии на другие жизненные функции. Кроме того, мозг получил гораздо больше необходимых для своего развития веществ. Огромное значение в процессе эволюции человека имели использование огня и приручение животных. Необычайно важным следствием трудовой деятельности явилось расширение области расселения человека: он приспособился жить в разных, нередко очень трудных, природных и климатических условиях, а с течением времени научился даже изменять природу в своих интересах.

Свою трудовую теорию происхождения человека Энгельс сформулировал в тот период, когда историческая наука располагала еще небольшим количеством достоверных фактов. Все последующие находки ископаемых людей, орудий труда и предметов быта подтверждают и дополняют эти выводы одного из гениальных основоположников марксизма.

44. Биосфера. Учение Вернадского о ноосфере.

Биосфе́ра (от греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу.

Верхняя граница в атмосфере: 15÷20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5÷7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

 Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10−6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

 Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

 Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

 Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

 Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

 Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

 Вещество космического происхождения.

Ноосфе́ра (греч. νόος — «разум» и σφαῖρα — «шар») — сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития (эта сфера обозначается также терминами «антропосфера», «социосфера», «биотехносфера»). Ноосфера — новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием человеческого общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Согласно Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного»

В ноосферном учении Человек предстаёт укоренённым в Природу, а «искусственное» рассматривается как органическая часть и один из факторов (усиливающийся во времени) эволюции «естественного». Обобщая с позиции натуралиста человеческую историю, Вернадский делает вывод о том, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную геологическую силу, своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.

Ноосферу можно охарактеризовать как единство «природы» и «культуры». Сам Вернадский говорил о ней то как о реальности будущего, то как о действительности наших дней, что неудивительно, поскольку он мыслил масштабами геологического времени. «Биосфера не раз переходила в новое эволюционное состояние… — отмечает В. И. Вернадский. — Это переживаем мы и сейчас, за последние 10—20 тысяч лет, когда человек, выработав в социальной среде научную мысль, создаёт в биосфере новую геологическую силу, в ней не бывалую. Биосфера перешла или, вернее, переходит в новое эволюционное состояние — в ноосферу — перерабатывается научной мыслью социального человека» («Научная мысль как планетное явление»). Таким образом, понятие «ноосфера» предстаёт в двух аспектах:

ноосфера в стадии становления, развивающаяся стихийно с момента появления человека;

ноосфера развитая, сознательно формируемая совместными усилиями людей в интересах всестороннего развития всего человечества и каждого отдельного человека

"Ноосфера" - наука о человеке, который является неотъемлемой частью биосферы. Считать, что есть биосфера сама по себе и ноосфера сама по себе неверно. Нет смысла в этом вопросе ссылаться на Вернадского, так как последний хоть и сделал очень многое в этом направлении, но не сумел ответить на основные моменты в изучении явления жизни на Земле. Так, Вернадский не смог определиться с вопросом возникновения жизни на Земле, тем более не определился он и с происхождением человека. Изменения, которые происходят в биосфере, которые наблюдал Вернадский и еще в большой мере наблюдаем мы, изменения которые в большой частью совершаются руками человека, то что Вернадский называл "новой геологической силой"- закономерный процесс накопления материи Солнца на Земле, в этом процессе принимает участие вся биосфера, человек - последнее звено в этой цепи превращения материи Солнца в вещество Земли.Социальный человек - именно его должна изучать такая наука как ноосфера - в состоянии контролировать этот процесс, тогда как сегодня, социальный человек 21 века, не только не осознал свою роль в этом процессе, он своими действиями готов нарушить этот процесс не думая о том, что это приведет к его гибели и гибели жизни на Земле. Об этом можно прочесть в книге "О разуме человека" .

45-46. Термодинамика сложных открытых неравновесных систем. Школа И. Пригожина. Самоорганизация сложных систем и локальное убывание энтропии. Диссипативные структуры.

Познание природы предполагает изучение каждой формы материи в отдельности. К настоящему времени выделены следующие формы неживой материи: вакуум, поля, элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты и планетные системы, звезды, галактики, Вселенная. Эти формы обладают признаком иерархической системы:

Каждая последующая структурная форма является более сложной, т.к. включает в качестве составной части предыдущую, более простую форму, причем при переходе от менее сложных к более сложным формам появляются качественно новые свойства.

Так, из элементарных частиц образуются атомы, которые обладают качественно новым свойством – способностью к химическому взаимодействию с образованием молекул. Атомы объединяются в макротела, которые также приобретают качественно новые свойства, например упругость. Живым организмам, состоящим из молекул, присущи свойства, которых нет у других материальных форм. Наиболее сложной из известных материальных структур является человеческое общество (социум).

Структурное разнообразие в природе можно рассматривать как результат последовательно происходящих в ней качественных изменений. Описание процессов возникновения качественно новых структур связано с переходом к эволюционной парадигме, основанной на взглядах Дарвина. Существенной особенностью эволюционного естествознания является:

• Рассмотрение многообразия и иерархичности материальных структур как закономерного результата всеобъемлющего эволюционного процесса;

• Поиск закономерностей, единых для всех разнообразных процессов развития – фундаментальных законов эволюции.

Неравновесные термодинамические системы

Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных систем как изменение, связанное с возрастанием энтропии, т.е. переходом от упорядоченных состояний к хаотичным, от сложного к простому. Такая направленность эволюции противоположна направленности эволюционных процессов в биологии. Возникшее кажущееся противоречие было снято с появлением неравновесной термодинамики, исследующей необратимые процессы в неравновесных открытых системах. Это такие системы, в которых неравновесное состояние поддерживается стационарно притоками энергии и вещества извне. В неравновесной термодинамике определяются условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

Идеи неравновесной термодинамики, выдвинутые бельгийским

(впоследствии американским) физиком и химиком российского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (1917 – 2003), лауреатом Нобелевской премии 1977 г., послужили основой принципиально нового подхода в объяснении возникновения упорядоченных структур как в физике и химии, так и в биологии. Эволюция сложных природных неравновесных систем рассматривается как процесс самоорганизации в них. Самоорганизация означает образование в системе определенной упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Самые важные выводы были получены термодинамикой в отношении сильнонеравновесных систем. Подобные системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, имеющими, вообще говоря, не единственное решение. Каждое решение соответствует определенному типу поведения системы. При возрастании т.н. термодинамических сил, характеризующих неравновесность системы (например, градиенты температуры или концентрации вещества) состояние неравновесной системы теряет устойчивость. Это означает, что малые вариации условий могут повлечь за собой резкое изменение состояние системы. При этом возрастает роль флуктуаций, возникающих благодаря неконтролируемому воздействию извне. В равновесных системах флуктуации релаксируют и исчезают, в неравновесных системах флуктуации могут разрастаться, создавая новый тип поведения. При этом наблюдается когерентное (согласованное) поведение различных элементов системы, приводящее к созданию новой стационарной структуры, существующей лишь в неравновесных условиях.

Пример – ячейки Бернара, упорядоченные конвективные структуры в слое жидкости, перпендикулярно которому направлен достаточно мощный и однородный тепловой поток. При этом флуктуация разрастается на всю систему, в ней устанавливается определенный порядок, в когерентное движение вовлекается больше 1000 частиц.

Неравновесные стационарные структуры отличаются от равновесных структур (например, кристаллов). Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, называются диссипативными, поскольку они существуют лишь за счет достаточно больших потоков энергии извне и способствуют эффективному рассеянию (диссипации) энергии. Они образуются в короткий промежуток времени в результате быстрой качественной перестройки системы, напоминающей фазовый переход (смену агрегатного состояния).

На рисунке показана диаграмма, качественно отображающая смену термодинамических ситуаций по мере увеличения в ней некоторого потока некоторой термодинамической силы (перепада температуры, давления и др.).

В нулевой точке система находится в равновесном состоянии. При появлении движущей силы и возрастании потока система становится неравновесной. Вблизи нуля (область 1) система слабонеравновесна, линейна и детерминирована. Возникающие в ней флуктуации затухают.

При достижении движущей силой достаточного большого значения система меняет свое поведение, становится нелинейной (область 2), все более заметную роль начинают играть флуктуации.

Образование упорядоченных структур происходит в области 3, где система становится неустойчивой. Флуктуации не гасятся, а усиливаются за счет обратных связей в системе и захватывают всю систему. Вместо одного варианта развития возможно несколько новых. Поскольку флуктуации возникают случайно, то и выбор системой одного из новых вариантов своего поведения непредсказуем.

Состояние, при котором в сильнонеравновесной и неустойчивой системе происходит переход к новому типу поведения, называется точкой бифуркации. Выбор нового варианта поведения носит вероятностный характер, что делает процесс эволюции системы принципиально необратимым. После осуществления выбора поведение системы на некотором отрезке (область 3) становится прогнозируемым. Таким образом, в поведении открытой сильнонеравновесной системы сочетаются случайность и детерминированность.

При дальнейшем увеличении движущих сил возникают новые бифуркации и ветвления (область 4). Системы, в которых бифуркации множественны, в ходе эволюции достигают такой степени запутанности поведения, что сложность становится беспорядком.

Процессы упорядочения и закон возрастания энтропии.

Когда система находится в неравновесном состоянии, и нет внешнего воздействия, то возникающие процессы переноса приводят систему в состояние ТД равновесия в соответствии с законом возрастания энтропии. Если же состояние неравновесно, и процессы переноса достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления к равновесию могут возникать подсистемы, в которых энтропия локально убывает, а упорядоченность возрастает. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии является временным, в открытой системе возможно возникновение стабильных диссипативных упорядоченных структур.

Локальной понижение энтропии, соответствующее локальной упорядоченности, обычно ничтожно мало по сравнению с суммарным увеличением энтропии системы в целом. Рождение локальных упорядоченных структур приводит к ускорению общего увеличения энтропии.

Необходимо отметить, что процесс образования упорядоченных структур в сильнонеравновесных системах неизбежен, он отражает стремление системы перейти к равновесному состоянию. Упорядоченные структуры реагируют на изменение внешних условий более чутко и разнообразно. Они могут легко разрушаться или превращаться в новые структуры. Нередко образование новой структуры невозможно без наличия предыдущей. В этом случае изменение состояний системы при изменении условий ее существования представляет собой однонаправленный процесс смены в ней одного порядка а другой, т.е. эволюцию .

В результате эволюции возникают новые упорядоченные системы, которые заменяют собой старые, когда происходит изменение внешних условий. Эти изменений могут быть вызваны, в том числе, и существованием данной упорядоченной подсистемы. В этом случае появляется основа для развития иерархических упорядоченных структур: на базе упорядоченность первого порядка возникает следующая, на базе упорядоченности второго порядка – упорядоченность третьего порядка и т.д., причем структуры высоких порядков должны приобретать качественно новые свойства, например, обратные связи, управляющие изменениями и упорядоченных структурах.

Таким образом, в случае достаточно мощных и длительных потоков через неравновесные системы появляется возможность (а в определенном смысле – необходимость) для самопроизвольного возникновения и развития локальной упорядоченности. При этом неустойчивость остается их характерным свойством.

Проведенный термодинамический анализ показывает, что явления, соответствующие эволюции живой природы, могут наблюдаться в любых сильнонеравновесных системах.

Природа полна проявлений самоорганизации в различных открытых неравновесных системах: в масштабе Вселенной самоорганизация проявилась в эволюции космологических систем; при формировании геологического облика Земли – в геологической эволюции; живые организмы, биологические виды и популяции представляют собой открытые системы, далекие от равновесия. К процессам самоорганизации относятся корпоративное поведение насекомых, регенерация живых тканей, вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Необходимо отметить, что проблема возникновения жизни составляет предмет исторической дискуссии между естествознанием и религией. Эволюционная теория достаточно хорошо описывает развитие жизни, но не ее зарождение. Согласно равновесной термодинамике вероятность флуктуаций, приводящих к образованию высокоорганизованного белкового вещества из неорганической среды, чрезвычайно мала. Неравновесная термодинамика, наоборот, предполагает зарождение жизни не только принципиально возможным, но и необходимым. Жизнь представляется как высшее на данный момент проявление происходящей в природе самоорганизации.

Многообразие проявлений самоорганизации и возможность их исследования на основе единых принципов привели к развитию нового научного направления, названного синергетикой.

Эволюция и стрелы времени.

С понятием эволюции тесно связано понятие времени как возраста природных систем. В рамках эволюционной концепции для любого объекта необходимо рассматривать рождение (самоорганизация), развитие (смена упорядоченных форм) и распад (переход к неупорядоченному равновесному состоянию). Последовательность этих стадий задает стрелу времени.

Различным иерархическим уровням организации материи соответствует различный масштаб шкалы времени. Направленность же стрелы времени едина и определяется сутью процессов эволюции. Эволюционные процессы необратимы, необратимо и время.

В различных науках о природе эволюционные представления о природе формировались достаточно независимо, поэтому выделяют биологическую стрелу времени (развитие живых организмов), геологическую стрелу времени (формирование Земли), гелиологическую стрелу времени (возникновение и эволюция Солнечной системы), и наконец космологическую стрелу времени (эволюция Вселенной). При этом эволюционные процессы всех подсистем Вселенной можно рассматривать как составляющие единого эволюционного процесса. По мере расширения и остывания Вселенной происходит последовательный рост разнообразия и сложности форм материи.

Приведенная схема является, по сути, бифуркационной структурой. В точках бифуркации возникают новые материальные структуры, имеющие свою стрелу времени. Такое представление демонстрирует единство всего материального мира, а также увеличение разнообразия и сложности создаваемых Природой материальных объектов.

47. Кибернетика: общие законы управления. Понятие обратной связи.

Термодинамика объясняет возможность высокой упорядоченности в сложных системах. Для рассмотрения механизм поддержания упорядоченности необходимо привлечь представления кибернетики.

Кибернетика – наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации.

Объектом кибернетики являются все управляемые системы. Системы, не поддающиеся управлению, в принципе, не являются объектами изучения кибернетики. Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем управления. Кибернетические системы рассматриваются абстрактно, вне зависимости от их материальной природы (автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество). Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею.

Кибернетические системы имеют входные и выходные каналы, по которым они обмениваются сигналами с внешней средой. Поскольку каждая система сигналов, независимо от того, формируется она разумными существами или объектами и процессами неживой природы, несет в себе ту или иную информацию, то всякая кибернетическая система, может рассматриваться как преобразователь информации. Рассмотрение различных объектов живой и неживой природы как преобразователей информации или как систем, состоящих из элементарных преобразователей информации, составляет сущность так называемого кибернетического подхода к изучению этих объектов.

Возникновение кибернетики как самостоятельной науки связывают с работами американского математика Норберта Винера(1894-1964), опубликовавшего в 1948 свою знаменитую книгу "Кибернетика". Винер определил кибернетику как "науку об управлении и связи в животном, машине и обществе". Принципиально новые возможности для решения задач кибернетики возникли после создания и широкого распространения ЭВМ. Стремительное развитие вычислительной техники породило большой интерес к кибернетике в 60-70е годы и ее бурное развитие во всем мире. В 80-90е годы термин «Кибернетика» частично подменялся термином "Информатика", имеющим отношение прежде всего к компьютерам и обработке информации. Однако в последние годы возросло значение собственно кибернетики, в том числе и в связи с развитием Интернета .

Кибернетика является междисциплинарной наукой. Она возникла на стыке математики, логики, семиотики, физиологии, биологии, социологии. Ей присущ анализ и выявление общих принципов и подходов в процессе научного познания.

Основными задачами, решаемыми кибернетикой, являются:

• Установление фактов, общих для управляемых систем;

• Нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;

• Определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей.

Основными понятиями кибернетики являются управление, целенаправленность, обратная связь, информация.

Целенаправленное изменение поведения кибернетических систем происходит при наличии управления. Основной задачей системы с управлением является такое преобразование поступающей в систему информации и формирование таких управляющих воздействий, при которых обеспечивается достижение (по возможности наилучшее) заданных целей управления.

Управление – это воздействие на объект, выбранное на основе имеющейся информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие.

Всякая система управления рассматривается как единство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой системы (объекта управления). У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, если нет выбора, то нет и управления. Свойством управляемости обладает не любая система, а только достаточным образом организованная. Чтобы управление могло целенаправленно изменять объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента:

• Каналы сбора информации о состоянии объекта и среды;

• Канал воздействия на объект;

• Цель управления;

• Способ (алгоритм) управления.

• Способ внедрение выбранного алгоритма.

• Оценка эффективности выбранного метода управления (обратная связь).

Обратная связь Если в открытой системе между воздействием внешней среды и реакцией системы устанавливается связь, то говорят об обратной связи. Если вызванное поведение системы (реакция) усиливает внешнее воздействие, то имеет место положительная обратная связь, если уменьшает – то отрицательная. Особый случай представляют собой гомеостатические обратные связи, направленные на то, чтобы свести к нулю внешнее воздействие на систему. Механизм обратной связи повышает степень внутренней организации системы. Наличие обратной связи позволяет сделать вывод о целенаправленности ее поведения - самоуправления и самоорганизации. Самоуправление и цели, которые оно преследует, носит многоуровневый иерархический характер.

Цель 1 порядка – обеспечить существование системы (поддержание неравновесного стационарного состояния);

Цель 2 порядка – поддержание постоянства параметров внутри системы (гомеостаз), являющегося необходимым условиям высокого качества функционирования системы;

Цель 3 порядка – достижение оптимальных в данных условиях показателей существования системы, например, максимальной энергетической эффективности и надежности функционирования.

Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации сложных систем.

Самоорганизация и самоуправление в сложных системах не возможны без информационных связей между элементами.

48. Информация, основные свойства. Информационная картина мира. Метод математического моделирования.

Информация является ключевым понятие кибернетики, т.к. является необходимым ресурсом для осуществления управления. Поэтому кибернетику называют наукой об информации, информационных процессах и системах.

«Отцом теории информации» считают Клода Шэннона (1916—2001). Его теория изначально понималась как строго математическая задача в статистике и дала инженерам, работающим в области средств передачи информации, путь к определению ёмкости коммуникационного канала в терминах количества бит. «Передающая» часть теории не занимается значением (семантикой) передаваемого сообщения, однако «дополняющая» часть теории информации обращает внимание на содержание (сжатие c потерей субъекта сообщения, критерий точности и т.д.).

Для случая дискретных данных Шеннон определил понятие информационной энтропии, весьма похожее на понятие термодинамической энтропии. Это величина, обозначающая количество информации, содержащееся в данном сообщении (или последовательности сигналов).

Теория информации широко используется в Теории кодирования, Криптографии и Криптоанализе, Передаче данных, Сжатие данных, Теории обнаружения, Теории оценки.

В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных концепций (определений информации), из которых мы выделим следующие:

• Информация как отраженное разнообразие (совокупность сведений);

• Информация как преобразование сообщений;

• Информация как связь между управляющей и управляемой системой;

• Информация как мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружающей средой.

Информация может быть структурной (застывшей в минералах, машинах, приборах) или функциональной (используемой в управлении). Информация – измеряемая величина (измеряется в битах).

Свойства информации:

• Способность управлять физическими, химическими, биологическими и социальными процессами;

• Возможность быть переданной на расстояние;

• Способность быть переработанной;

• Способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во времени;

• Способность переходить из пассивной формы в активную (извлечение из памяти и ее использование для некоторого действия).

Информация существенно влияет на развитие науки и техники, а также политику, экономику, социальную сферу, включая обеспечение правопорядка и работу правоохранительных органов, развитие медицины и образования.

Классическая и неклассическая наука строили представление о мире на двух фундаментальных постулатах – материи и энергии. Развитие кибернетики дополнило научную картину мира, связав любые процессы с изменением массы, энергии и информации. Системы материальных объектов, вещественно-энергетические процессы являются носителями, хранителями и потребителями информации. Кибернетика как наука об информации дала новое представление о мире, основанное на информации, управлении, организованности, обратной связи, целенаправленности, и создала тем самым информационную картину мира. Масс-энерго-информационное преобразование кибернетика оказывает на данный момент все возможные состояния окружающего нас мира.

Кибернетика оказала революционизирующее действие на методологию и развитие всех наук, включая естественные, технические и общественные, способствовала синтезу научных знаний. Благодаря кибернетике в науке наряду с наблюдением и экспериментом стал использоваться метод компьютерного моделирования.

Методы кибернетики.

Кибернетика использует для исследования систем три принципиально различных метода. Два из них - математический анализ и физический эксперимент широко применяются и в других науках. Сущность первого метода состоит в описании изучаемого объекта в рамках того или иного математического аппарата (например, в виде системы уравнений) и последующего извлечения различных следствий из этого описания путем математической дедукции (например, путем решения соответствующей системы уравнений). Сущность второго метода состоит в проведении различных экспериментов либо с самим объектом, либо с его реальной физической моделью.

Одним из важнейших достижений кибернетики является разработка и широкое использование нового метода исследования, получившего название вычислительного (машинного) эксперимента, или математического моделирования. Смысл его состоит в том, что эксперименты производятся не с реальной физической моделью изучаемого объекта, а с его математическим описанием, реализованным в компьютере. Огромное быстродействие современных компьютеров зачастую позволяет моделировать процессы в более быстром темпе, чем они происходят в действительности.

Теория управления

— наука о принципах и методах управления различными системами, процессами и объектами.

Суть теории управления: на основе системного анализа составляется математическая модель объекта управления, после чего синтезируется алгоритм управления для получения желаемых характеристик протекания процесса или целей управления.

Управление можно разделить на два вида:

стихийное: воздействие происходит в результате взаимодействия субъектов (синергетическое управление);

сознательное: планомерное воздействия объекта (иерархическое управление). При иерархическом управлении цель функционирования системы задается её надсистемой.

Примеры современных методов управления:

Нелинейное управление Теория катастроф Адаптивное управление Игровые методы в управлении Интеллектуальное управление

Внедрение выбранного метода управления

При внедрении чего-нибудь нового всегда существует предрасположенность к возникновению неравновесной (революционной) ситуации. Поэтому должен быть разработан алгоритм переходного процесса, который обеспечил бы бесконфликтный переход систем к новому для них виду функционирования.

Поскольку самыми главными проявлениями управления являются государство и власть, то наука об управлении издревле была объектом повышенного внимания. Теория (автоматического) управления техническими системами появилась во второй половине XIX в. В связи с развитием паровых машин, потребовались регуляторы, которые могли бы автоматически поддерживать установившийся режим их работы. Универсальность математических методов, полученных в данной теории, перевела ее в область наук, занимающихся изучением абстрактных математических объектов, а не их конкретных технических реализаций

Теории принятия решений.

Термин, теперь известный как «ожидаемая ценность» (математическое ожидание) был известен с XVII века. Блез Паскаль использовал это в его известном пари, (см. ниже), который содержится в его работе «Pensées», изданной в 1670. Идея ожидаемой ценности заключается в том, что перед лицом множества действий, когда каждое из них может дать несколько возможных результатов с различными вероятностями, рациональная процедура должна идентифицировать все возможные результаты, определить их ценности (положительные или отрицательные) и вероятности, затем перемножить соответствующие ценности и вероятности и сложить, чтобы дать в итоге «ожидаемую ценность». Действие, которое будет выбрано, должно давать наибольшую ожидаемую ценность.

В 1738 Даниил Бернулли опубликовал статью, названную «Предложение новой теории измерения риска (Exposition of a New Theory on the Measurement of Risk)», в котором он использует Санкт-Петербургский парадокс, чтобы показать, что теория ожидаемой ценности должна быть нормативно неправильной.

Пари Паскаля — классический пример выбора при неопределённости. Неопределённость, согласно Паскалю, — существует или нет Бог. Личная вера или неверие в Бога — выбор, который должен быть сделан каждым. Однако, награда за веру в Бога, если Бог фактически существует, бесконечна. Поэтому, хотя вероятность существования Бога не так велика, а ожидаемая ценность веры превышает ценность неверия, то лучше все-таки верить в Бога.

Бернулли определяет функцию полезности и вычисляет ожидаемую полезность, а не ожидаемую ценность.

Прогнозирование и планирование

Для того чтобы делать «строгие» статистически достоверные прогнозы на будущее, нужно получить выборку из будущих данных. Так как это невозможно, то многие специалисты предполагают, что выборки из прошлых и текущих, например, рыночных индикаторов равнозначны выборке из будущего. Иными словами, если встать на такую точку зрения, то получится, что прогнозируемые показатели — лишь статистические тени прошлых и текущих рыночных сигналов. Такой подход сводит работу аналитика к выяснению, каким образом участники рынка получают и обрабатывают рыночные сигналы. Без устойчивости рядов нельзя делать обоснованные выводы. Но это вовсе не значит, что ряд должен быть устойчив во всем. Например, он может иметь устойчивые дисперсии и совершенно нестационарные средние — в этом случае мы будем делать выводы только о дисперсии, в обратном случае только о среднем. Устойчивости могут носить и более экзотический характер. Поиск устойчивостей в рядах и есть одна из задач статистики.

Если лица, принимающие решения, полагают, что процесс не является стационарным (устойчивым), а следовательно, эргодическим, и даже если они считают, что вероятностные функции распределения инвестиционных ожиданий все-таки могут быть посчитаны, то эти функции «подвержены внезапным (то есть непредсказуемым) изменениям» и система, по существу, непредсказуема.

Ошибки первого и второго рода

Разделение ошибочных решений на ошибки первого и второго рода вызвано тем, что последствия от разного рода ошибочных решений принципиально различаются в части того, что упущенный выигрыш оказывает меньшее влияние на ситуацию, чем реализованный проигрыш. Например, для биржевого брокера последствия того, что акции не были куплены, когда их следовало покупать, отличаются от последствий ситуации, когда акции были куплены, но покупать их не следовало. Первая ситуация может означать упущенную выгоду, вторая — прямые потери вплоть до разорения брокера. Вместе с тем, классификация ошибок первого и второго рода допустима только в ситуациях, когда ведется точный учет и анализ рисков.

С точки зрения теории игр оптимальные решения аналитиков должны отличаться от оптимальных трейдерских действий. Предполагается, что оптимальные стратегии, реализованные в рекомендациях аналитиков, исходят из принципа минимизации максимальных проигрышей (минимакса), в то время как для трейдеров минимакс — неприемлемая стратегия (минимизация максимального проигрыша на рынке — не играть)

. 49. Синергетика: самоорганизация систем в терминах: бифуркация, аттрактор, неустойчивость, фракталы. Рол флуктуации. Понятие хаоса.

Изучение различных природных явлений привело науку к осознанию того, что природа подвержена непрерывной эволюции. Изменения происходят на всех уровнях материальных структур, которые сами являются результатом эволюционного процесса, поскольку в природе непрерывно происходит увеличение разнообразия и сложности.

Идея о глобальном эволюционном процессе, который охватывает Вселенную, определяет эволюцию всех ее подсистем и единство наиболее общих закономерностей эволюции, составляет содержание концепции всеобщего эволюционизма.

В основе концепции лежит понимание эволюции как проявления самоорганизации в сильно неравновесных системах. Исследование процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного направления в науке – синергетики.

Синергетика (от греч. συν — «совместное» и греч. εργος — «действие») — наука, целью которой является выявление и исследование общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.

Синергетика представляет собой новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Синергетика изначально представлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же в системах любой природы (в физике, химии, технике, биологии, социологии, экономике):

• Самоорганизующаяся система является сложной, состоящей из многих элементов;

• Система является открытой, неравновесной и нелинейной;

• При увеличении неравновесности выше некоторого предела система переходит в неустойчивое состояние;

• Выход из неустойчивости переходит скачком за счет быстрой перестройки элементов системы;

• Наблюдается согласованное поведение элементов системы, которое приводит к переходу системы в качественное состояние с упорядоченной структурой (пространственной или временной);

• Выбор одного из возможных новых состояний является случайным

Синергетика отличается от традиционной научной дисциплины – она пока существует как бы в нескольких вариантах, отличающихся названием и степенью общности. Область исследований синергетики до сих пор до конца не определена.

Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

• Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой разрабатывалась теория диссипативных систем, раскрывались исторические предпосылки и мировоззренческие основания теории самоорганизации.

• Школа Германа Хакена, профессора Института синергетики и теоретической физики в Штутгарте. Он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет более 60 томов. Хакен ввел определение термина «синергетика», в 1977 году в своей книге «Синергетика» (издана на русском языке в 1980 г.)

Синергетика прогрессирует с развитием математического аппарата описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами, основанными на компьютерном моделировании.

• Математический аппарат теории катастроф для описания синергетических процессов разработан российским математиком В. И. Арнольдом (теория катастроф) и французским математиком Рене Тома.

• В рамках школы академика А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова разрабатана теория самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного эксперимента для нелинейных сред.

Предпринимаются все более активные попытки использования синергетических методов в экологии, социологии, истории, экономике, в области социально-гуманитарного знания:

• В России вклад в развитие синергетики внесли академик Н. Н. Моисеев — идеи универсального эволюционизма и коэволюции человека и природы.

• Синергетический подход в биофизике и информатике развивается в трудах члена-корреспондента РАН М. В. Волькенштейна.

• Синергетический подход в теоретической истории и экономике развивается в работах Д. С. Чернавского, Г.Г.Малинецкого, Л.И.Бородкина, С.П.Капицы, С.Ю.Малкова, А.В.Коротаева, П.В.Турчина, В.Г.Буданова, А.П.Назаретяна и др.

Постепенно предмет синергетики распределился между различными направлениями:

• теория динамического хаоса исследует сверхсложную упорядоченность;

• теория детерминированного хаоса исследует хаотические явления, возникающие в результате детерминированных процессов;

• теория фракталов занимается изучением сложных самоподобных структур, часто возникающих в результате самоорганизации;

• теория катастроф исследует поведение самоорганизующихся систем в терминах бифуркация, аттрактор, неустойчивость;

Основными понятиями синергетики можно считать

• Открытые системы;

• Нелинейность; • Самоорганизация.

В открытой неравновесной системе повышается чувствительность к флуктуациям. Флуктуации могут привести к образованию диссипативных структур – самопроизвольному выстраиванию структуры на микроуровне в результате согласованного взаимодействия элементов. Система реагирует на изменение своего состояния с использованием положительной обратной связи. (Пример – лазер).

Разрастание диссипативной структуры связано с понятием фракталов. Главное свойство фракталов состоит в том, что любой их малый фрагмент аналогичен более крупной части и объекту в целом. Фрактал – своего рода «микрозатрака» в начальный момент самоорганизации, из которой новая структура вырастает до макроуровня в том же виде (пример – пламя, нейронная сеть мозга, кристаллическая структура). Фрактальная структура, благодаря избыточности, хорошо противостоит повреждениям.

Нелинейное развитие системы, когда малое воздействие на нее приводит к принципиально новому результату, называется бифуркационным. В точке бифуркации система может начать развитие в новом направлении ( пример бифуркаций – выбор учебного заведения, выбор спутника жизни, картина Васнецова «Витязь на распутье»). В соответствии с синергетическими представлениями в нелинейных средах изначально существует спектр возможных структур развития данной системы (например, физический вакуум содержит в себе возможность рождения всех элементарных частиц). Под действием внешних факторов система выбирает дальнейший путь существования и развития. Таким образом, развитие представляет собой инициирование потенциально существующего в системе порядка, а не наведение порядка извне. Новизна синергетического подхода заключается в том, что развитие понимается как внутренний процесс, в котором конструктивным началом выступает «детерминированный» хаос. Случайность и детерминированность на этапе бифуркации состоят в соотношении неопределенности (случайность – «блуждание по полю возможностей»). Процессы самоорганизации носят целенаправленный характер. Цель, направляющая поведение нелинейной системы, называется аттрактором. Иногда аттрактор рассматривается как новообразованная структура, на которую система выходит после точки бифуркации. (Пример – горное озеро, в которое стекаются ручьи с окружающей местности: озеро – аттрактор; рельеф местности, направляющий ручьи – законы эволюции). Наличие флуктуаций и вероятностный характер взаимодействия снова переведут систему в неравновесное состояние – к новой бифуркации, а затем – к выходу на другой аттрактор.

Хаос контролирует и направляет систему в момент входа и выхода из аттрактора. Благодаря конструктивной роли и возможностям самоструктуризации хаос можно рассматривать как сверхсложную структуру. Физический хаос, представляемый как кажущийся беспорядок, может быть строго описан математически, следовательно

физический хаос имеет внутренний порядок, но он очень сложен. Хаос можно представить как «беспорядок множества порядков».

50. Концепция всеобщего эволюционизма. Постнеклассический этап в развитии науки. Интеграции естественно-научного и социально-гуманитарного знания.

В настоящее время можно говорить о наступлении нового, постнеклассического этапа в развитии науки. Его определяющим признаком является формирование эволюционно-синергетической парадигмы. Ее важнейшими составляющими являются:

• Принцип глобального эволюционизма – невозможность существования любых рождающихся во Вселенной структур вне общего эволюционного процесса;

• Представление об универсальности общих законов развития как проявления самоорганизации в сложных природных и социальных системах.

Синергетика как наука о самоорганизации сложных систем возникла на в рамках естествознания, но постепенно становится одной из методологических основ общественных и гуманитарных наук. Ключевые понятия и подходы синергетики используются для описания сложных экономических и социально-гуманитарных явлений. На основе общих положений синергетики делаются попытки осмыслить ход исторического развития, оценить роль той или иной личности в исторических катаклизмах. На бифуркационном этапе истории существует множество обстоятельств, каждое из которых способно радикально и непредсказуемо повлиять на ход исторических событий. К таким обстоятельствам можно отнести и личностный фактор. Действия выдающейся личности в таких условиях можно считать «флуктуацией», которая определяет выбор пути дальнейшей эволюции.

В истории человечества случайность играла различную роль в разные периоды развития:

• В период устойчивого развития случайность (например, смерть лидера) лишь переводила развитие страны на близкую траекторию (немного менялось благосостояние народы или внешняя политика);

• В период нейстойчивого развития аналогичные случайности приводили к катастрофическим изменениям (войнам и революциям).

В исследовании творческого процесса синергетические представления позволяют по-новому интерпретировать понятия интуиции и вдохновения.

В настоящее время приложение синергетики за рамками естествознания только формируются, однако уже ясна методологическая ценность синергетики. Одно из проявлений – формирование нелинейного мышления, которое связано с учетом малых факторов и обратных связей в изучаемых явлениях.

Становление эволюционно-синергетической парадигмы способствует разрешению проблемы двух культур, т.к. определяет направление интеграции естественно-научного и социально-гуманитарного знания.

Показать полностью…
Похожие документы в приложении