63708

Концепции современного естествознания

Конспект

Логика и философия

Естествознание – раздел науки, который изучает мир в его естественном состоянии (совокупность наук о природе). «Концепции» - результаты научных исследований – теории, законы, модели, гипотезы

Русский

2014-12-21

196 KB

5 чел.

Краткий курс лекций по Концепциям современного естествознания

для заочного отделения.

Тема 1. Естествознание как отрасль научного познания.

Естествознание – раздел науки, который изучает мир в его естественном состоянии (совокупность наук о природе). «Концепции» - результаты научных исследований – теории, законы, модели, гипотезы…

Естествознание – важнейший элемент культуры человечества, один из существенных показателей уровня развития цивилизации.

Задачей естествознания является изучение объективных законов природы и использование этих законов в практических целях и интересах человека.

Классификация естественных наук:

1. Науки о явлениях природы (физика, химия…); о предметах природы (сюда относили весь окружающий материальный мир: небесные тела, земля, находящиеся на ней живые существа, человек,..).

2. Науки о живой и неживой природе.

Тема 2. Методы научного познания

2.1 Понятие метода. Классификация методов.

Понятие метод (от греческого «методос» - путь к чему либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.

Методология - «учение о методах». Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.

Методы научного познания принято подразделять по широте применимости в процессе научного исследования на:

1. Всеобщие методы, в истории познания известно два: диалектический и метафизический.

2. Общенаучные методы, которые используются в самых различных областях науки.

Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. 

Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне накапливается информации об исследуемых объектах, явлениях путем проведения наблюдений, выполнения разнообразных измерений, постановки экспериментов. Здесь производится также первичная систематизация получаемых фактических данных.

Теоретический уровень научного познания осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Теоретический уровень – более высокая ступень в научном познании. Результатами теоретического познания становятся гипотезы, теории, законы.

3. Частнонаучные методы, используемые только в рамках исследований какой-то конкретной науки или какого-то конкретного явления.

2.2 Общенаучные методы эмпирического познания

2.2.1 Наблюдение

Наблюдение есть чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира. Это исходный метод эмпирического познания, позволяющий получить некоторую первичную информацию об объектах окружающей действительности.

При непосредственных  наблюдениях те или иные свойства, стороны объекта воспринимаются органами чувств человека.

Опосредованные наблюдения проводятся с использованием тех или иных технических средств.

При косвенных наблюдениях исследуются не сами объекты, а только результаты их воздействия на определенные объекты.

2.2.2  Эксперимент

Эксперимент – предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.

Эксперименты подразделяются на исследовательские и проверочные.

Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевшихся знаний об объекте исследования.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений.

2.2.3 Измерение

Измерение – это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.

Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «1»). Единицы измерения подразделяются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений.

В настоящее время в естествознании действует Международная система единиц (СИ) принятая в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц.

 

2.3 Общенаучные методы теоретического познания

2.3.1 Абстрагирование.

 Абстрагирование заключается в мысленном отвлечении от каких-то менее существен-ных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием одной или нескольких существенных сторон, свойств, признаков этого объекта. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, именуют абстракцией.

Пример: группировка всего множества растений и животных, обитающих на нашей планете, в особые виды, роды, отряды и т. д.

2.3.2 Идеализация.

Идеализация представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований.

В результате таких изменений могут быть, например, исключены из рассмотрения какие-то свойства, стороны, признаки объектов. Пример: широко распространенная в механике идеализация, именуемая материальной точкой, подразумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстрактный объект, размерами которого пренебрегают, удобен при описании движения. Причем подобная абстракция позволяет заменить в исследовании самые различные реальные объекты: от молекул или атомов при решении многих задач статистической механики и до планет Солнечной системы при изучении, например, их движения вокруг Солнца.

2.3.3 Формализация. Язык науки

Под формализацией понимается особый подход в научном познании, который заключается в использовании специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперировать вместо этого некоторым множеством символов (знаков).

2.3.4 Индукция и дедукция

Индукця (от лат. Induction – наведение, побуждение) есть метод познания, основывающийся на формально-логическом умозаключении, которое приводит к получению общего вывода на основании частных посылок.

Например, в процессе экспериментального изучения электрических явлений исследовались проводники тока, выполненные из различных металлов. На основании многочисленных единичных опытов сформировался общий вывод об электропроводности всех металлов.

Дедукция (от лат. Deduction – выведение) есть получение частных выводов на основе знания каких-то общих положении. Другими словами, это есть движение нашего мышления от общего к частному. Например, из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можно сделать дедуктивное умозаключение об электропроводности конкретной  медной проволоки (зная, что медь – металл).

2.4 Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания

2.4.1 Анализ и синтез

Под анализом понимают разделение объекта (мысленно или реально) на составные части с целью их отдельного изучения. В качестве таких частей могут быть какие-то вещественные элементы объекта или же его свойства, признаки, отношения и т. п.

Синтез – изучение объекта как единого целого. При этом синтез не означает простого механического соединения разъединенных элементов в единую систему. Он раскрывает место и роль каждого элемента в системе целого, устанавливает их взаимосвязь и взаимообусловлен-ность, т. е. позволяет понять подлинное диалектическое единство изучаемого объекта.

2.4.2 Аналогия и моделирование

Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных в целом объектов. Установление сходства (или различия) между объектами осуществляется в результате их сравнения.

Существуют различные типы выводов по аналогии. Но общим для них является то, что во всех случаях непосредственному исследованию подвергается один объект (модель), а вывод делается о другом объекте (оригинале). Таким образом, модель всегда выступает как аналогия.

В зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько видов моделирования.

1. Мысленное (идеальное) моделирование. К этому виду моделирования относятся воображаемые модели. Например, модель атома, предложенная Резерфордом, напоминала Солнечную систему: вокруг ядра («Солнца») обращались электроны («планеты»).

2. Физическое моделирование. Оно характеризуется физическим подобием между моделью и оригиналом. По результатам исследования модели судят о явлениях, происходящих (или могущих произойти) в так называемых «натуральных условиях». Пример: модель здания.

3. Символическое (знаковое) моделирование. Оно связано с условно-знаковым представлением каких-то свойств, отношений объекта-оригинала. К символическим (знаковым) моделям относятся разнообразные топологические и графовые представления (в виде графиков, номограмм, схем и т.п.) исследуемых объектов или, например, модели, представленные в виде химической символики и отражающие состояние или соотношение элементов во время химических реакций.

Тема 3. История естествознания

  1.  Античный период развития естествознания
    1.  Древнегреческий этап (6 в. до н.э. – 4 в. до н.э.)

Впервые наука зародилась в Древней Греции в 6 веке до н.э. Под наукой понимается определенная система знаний, а не просто отрывочные сведения. В ряде древних цивилизаций (Египет, Вавилон, Индия, Китай, Ассирия) отдельные науки достигли высоких ступеней развития. Но эти науки были прикладными, эмпирическими, научно-теоретическое знание начинает развиваться именно в Древней Греции.

Первой формой науки была натурфилософия, она считалась “наукой наук”, и являлась вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а отдельные науки были составными частями натурфилософии.

Милетская школа натурфилософии. Непосредственно возникновение науки связывают с милетской школой. Представители этой школы (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксимен) сформулировали первую фундаментальную проблему: все предметы окружающего мира состоят из простейших начал – “стихий”, к ним чаще всего относили огонь, воду, воздух и пр.

Пифагор. В городе Кротоне сложилась школа Пифагорейский союз – закрытая тайная организация, со свои уставом, который предписывал размеренный, созерцательный образ жизни. Представление о космосе – упорядоченное, гармоничное, симметричное целое, которое дано постигнуть только избранным, кто ведет созерцательный образ жизни. За первооснову Вселенной принимали число (“Мир есть число”).

Пифагорейская школа внесла величайший вклад в развитие математики: доказательство положений, полученных в египетской и вавилонской математике; разработка теории чисел; разработка теории пропорций.

Демокрит. Основные положения атомистического учения Демокрита:

  •  Вселенная состоит из атомов и пустоты.
  •  Атом – неделимая мельчайшая частица.
  •  Атомы находятся в постоянном движении.
  •  Атомы различны по форме и величине.
  •  Возникают вещи – сложением атомов, а уничтожаются – разделением на атомы.

Аристотель. Круг интересов Аристотеля различен:

  •  Создатель формальной логики
  •  Занимался изучением живой природы (определил жизнь как способность к самообеспечению, независимому росту и распаду; описал с большой точностью несколько сот различных растений и животных; привел классификацию растений и животных и пр.)
  •  Классифицировал науки (теоретические, практические и творческие)
  •  Создал “Учение о движении”
  •  Космологическое учение: Земля в форме шара неподвижно располагается в центре Вселенной. Вокруг Земли на твердых прозрачных сферах закреплены небесные тела (сфера Луны, сфера Меркурия, Венеры и т.д.) Крайняя сфера соприкасается с “перводвигателем Вселенной” – бог, который придает движение сферам.

  1.  Эллинистически – римский период (4 в. до н.э. – 5 в. н.э.)

Евклид. Основной труд Евклида – “Начала”, в котором в систематической форме в 13-ти томах изложены все математические достижения: геометрия на плоскости; теория отношений Евдокса; теория целых и рациональных чисел; свойства квадратичных иррациональностей; основы стереометрии; метод исчерпывания Евдокса; свойства правильных многогранников.

 Архимед. В области математики решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов.

Считается основоположником статики и гидростатики: ввел понятие центра тяжести тел, методы его определения для различных тел, математический вывод законов рычага.

Изобрел “Архимедов винт” – устройство для подъема воды, военные метательные машины.

Птолемей. Птолемей создал первую математическую теорию астрономических явлений. Полагал, что движение небесных тел происходит по круговой орбите (эпициклу), центр которой в свою очередь совершает равномерное вращение вокруг Земли по круговой орбите (деференту), центр которой не совпадает с центром Земли.

Теория Птолемея позволила предвычислять сложные движения планет. На основе созданных Птолемеем астрономических таблиц вычислялось положение планет с высокой точностью.

Построение Птолемеем геоцентрической системы завершило становление первой естественно-научной картины мира.

3.2 Естествознание в эпоху Средневековье

3.2.1 Достижения средневековой арабской культуры (5-12вв.)

Математика: Трактат Аль-Хорезми “Об индийских числах”, посвященный десятичной системе счисления. “Трактат о доказательствах задач” Омара Хайяма – наиболее значительные достижения в алгебре, посвящен решению кубических уравнений. В систематическом виде тригонометрия представлена в работах Аль-Баттани.

Физика: Применяли закон Архимеда для определения удельных весов элементов.

Астрономия: усовершенствовали технику астрономических наблюдений, значительно дополнили и уточнили данные о движении небесных тел. Азрахель из Кордовы составил Толедские планетные таблицы. Улугбек построил в Самарканде астрономическую обсерваторию, где были созданы “Новые астрономические таблицы”.

3.2.2 Средневековая Европа (12-13вв.)

В 12 в. в Европе были открыты первые университеты. Первоначально университеты предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться  предметы математического и естественного направлений, а само обучение носило систематический характер.

3.3 Естествознание эпохи Возрождения (14-16вв.)

3.3.1 Первая научная революция: гелиоцентрическая система Коперника.

В 1543г. была опубликована работа Н.Коперника “Об обращении небесных сфер”, где была изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд. В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, среди них Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звезд.

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Он впервые представил движение небесных тел как единую систему. Объяснил смену времен года. Объяснил сложное движение планет кажущимся эффектом, как результат перемещения самого наблюдателя (т.е. наблюдение ведется с движущейся Земли).

Коперник разделял многие представления старой космологии: представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченную сферой звезд; принял круговые, равномерные движения небесных тел; центральное положение Солнца во Вселенной; ограничил мир единственной планетной системой.

3.3.2 Дж. Бруно.

Бруно отверг замкнутую сферу звезд, объявил Солнце обычной звездой, пришел к концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной.

3.4 Научная революция 17 века. Возникновение классической механики.

3.4.1 И. Кеплер. В 1609 г. И. Кеплер после математической обработки огромного материала астрономических наблюдений опубликовал законы планетных движений.

1-ый закон: утверждал эллиптическую форму орбит.

2-ой закон: утверждал, что скорость движения планеты по орбите не постоянна, она тем больше, чем ближе планета к солнцу.

3-ий закон: установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и их средним расстоянием от солнца.

Т.о. Кеплер показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы, а затем подгонять под них явления природы.

3.4.2 Г. Галилей. В формировании классической механики велика заслуга Галилея:                                             

• он разграничил понятия равномерного и неравномерно ускоренного  движения;                             

• сформулировал понятие ускорения;                                          

вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время: S= 1/2 аt2;

• сформулировал принцип инерции («всякое тело находится в состоянии покоя, либо равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на тело не действует какая-либо сила»);

• выработал понятие инерциальной системы;

• сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые  движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга равноправны между собой в отношении описания  механических процессов);

• открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

 

3.4.3 И. Ньютон

В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии», которая вышла в свет в 1687 г.     

Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики, как науки.

Первый закон – это принцип инерции, сформулированный ещё Галилеем: всякое тело находится в состоянии покоя, либо равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на тело не действует какая-либо сила.

Второй закон – приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела.     

Третий закон – действие двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения – все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояний между ними.  

Формирование основ классической механики — величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественно-научной теорией. В течение трёх столетий (с XVII в. по начало XX в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественно-научной картины мира – механистической. Ньютон отбросил всё лишнее, размеры тел, их внутреннее строение, идущие в них процессы. Оставил только массы и расстояния между центрами этих масс, связанные несложной формулой. Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создаёт единую картину мира.

3.5. Естествознания 18-19 веков

3.5.1 Теплородная и кинетическая теории теплоты

Теплота по теплородной теории – особого рода “невесомая жидкость”, способная перетекать из одного тела к другому. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Теплород — «некая жидкость, крайне мелкие частицы которой наделены силой взаимного отталкивания. В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние».

Кинетическая теория теплоты связывает сущность тепловых явлений с движением атомов, из которых состоят тела. Кинетической теории теплоты придерживались многие ученые. Среди них – Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Даниил Бернулли, М Ломоносов, Л.Эйлер. Однако господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория.

3.5.2 Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVII - IX в.

Систематическое изучение магнитных и электрических явлений начинается в XVII в.

В 1600 г вышла в свет  книга У. Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли». В книге изложены свойства магнитных явлений: магнитные свойства присущи только магнитной руде, железу и стали; магнит всегда имеет два полюса и одноимённые полюса отталкиваются, а разнополюсные – притягиваются; описывается явление магнитной индукции. Гильберт высказал также гипотезу о земном магнетизме: Земля представляет собой большой шарообразный магнит, полюса которого расположены возле географических полюсов.

В 1729 г. С. Грей открыл явление электрической проводимости.

Француз Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются».

В1745 г. была изобретена лейденская банка (физики смогли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними).

Во второй половине XVIII в. изобретение А. Вольтом источника постоянного тока («Вольтов столб»).

Т.о. с одной стороны, были установлены многочисленные законы различных электрических и магнитных явлений, но они не имели целостного теоретического обоснования. С другой стороны, построенная Фарадеем полевая концепция электрических и магнитных явлений не была математически оформлена.

Дж. К. Maксвелл создал теорию электромагнитного поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г.

Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.    

•   Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его.

•   Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.

•   Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны.

•   Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света.

3.5.3 Теории света

В 1672 г. Ньютон изложил корпускулярную концепцию света. В соответствии с ней свет представляет собой поток «световыx частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами на расстоянии. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

Вместе с тем Гюйгенсом в 1690 г. была высказана волновая теория света, в соответствии с которой свет – это волновое движение в эфире.

В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики.

В 1799 г. врач Т. Юнг поставил опыт, демонстрирующий явление интерференции света от двух источников.                              

В 1818 г. Френель представил работу о дифракции света.

В 1850 г. французский физик Ж.Б. Фуко показал, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердил волновую теорию света.

3.5.4  Развитие представлений о пространстве и времени

Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего, это касается понятий пространства и времени. Рядом физиков вместо понятия абсолютной системы отсчета вводится понятие инерциальной системы отсчета (это системы, которые движутся прямолинейно  и равномерно относительно друг друга). Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

Рис. 1. Преобразования Галилея

Если система отсчета X101Y1  (рис. 1) движется прямолинейно и равномерно со скоростью v относительно системы отсчета XOY в течение времени t, то 001 = vt, 

а координаты точки Р этих системах отсчета связаны между собой следующими соотношениями: X1=X-vt,  Y1 =Y,   t1 =t.

Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися в обосновании. Но время показало, что это не так.

3.5.5 Великие открытия конца XIX начала XX века, которые привели к новой научной революции.

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.

В 1895 г. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной.

Открытие Томсоном  первой элементарной частицы электрона и определение его заряда и массы.

В 1896 г. Беккерель открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Герцем, открытие явления фотоэффекта, проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.

Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX—ХХ вв. А. Пуанкаре назвал кризисом физики.

Тема 4. Современная физическая картина мира. Научная революция в физике начала XX в.: возникновение релятивистской и квантовой физики.

4.1 Фундаментальные противоречия в основаниях классической механики

Создание теории электромагнитного поля поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения Галилея (во всех инерциальных системах, т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу, применимы одни и те же законы механики), справедливый для механических явлений, на электромагнитное поле?

             

  Рисунок 2.

Допустим система X'Y'0' (рис. 2) с источником света (скорость света с) движется со скоростью V по отношению к неподвижной системе XYO. Тогда в соответствии с принципом относительности:

  •  для наблюдателя в системе X'Y'0' скорость света будет одинакова и равна с;
  •  для наблюдателя в системе XYO скорость света будет различной и равна V1 = с ± V.

Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в XIX в., показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат  независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется

Такой эксперимент в 1887 г. был проведен А. Майкельсоном. Он сравнил время прохождения светом определенного расстояния S туда и обратно – первый раз вдоль движения Земли, а второй раз, в направлении, перпендикулярном этому движению. Результаты этого эксперимента достоверно свидетельствовали, что на скорость света не влияет движение Земли.

Для того чтобы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, Г.А. Лоренц высказали в 1892 г. гипотезу, согласно которой размеры каждого движущегося в эфире тела уменьшаются в направлении движения относительно эфира в 1/(1 - v22)1/2 раз. Эта гипотеза чисто формально объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона, не давая никаких разумных теоретических объяснений причин изменения размеров тел, и вместо преобразований Галилея ввел новую формальную систему преобразований, которая получила название «преобразования Лоренца»:

;     ;    

Заметим, что при скоростях системы, существенно меньших скорости света (т.е. v << с), отношение v22 —> 0 и тогда преобразования Лоренца превращаются в классические преобразования Галилея.

Таким образом, к рубежу XIX—XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики:

1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света;        

2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы (принцип относительности);   

3) координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея.                                          

Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы.

4.2. Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которые объясняли и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобразований Лоренца и, кроме того, содержали новый взгляд на пространство и время.

Принципы СТО:

  •  Всеобщий принцип относительности: и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны.
  •  Постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

Выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей: 

1. Длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.

2. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами.

3. Масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = тс2.

Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования.

4.3. Создание и развитие общей теории относительности

Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только для инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы.

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения – распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности.

Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще безотносительно к какому-нибудь телу, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.

4.4. Возникновение и развитие квантовой физики

В 1900 г. М. Планк сформулировал квантовую гипотезу: излучение энергии происходит не непрерывно, а дискретно, определенными порциями — квантами (e). Более того, e не является любой величиной, а именно, e=hn, где h определенная константа, a n — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была  началом, новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенным новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В 1909 г. Эйнштейн показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики.

Теория атома Резерфорда - Бора.

В 1911 г. Резерфорд сформулировал планетарную модель атома. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо меньших размеров, нежели атом, порядка 10-13 см. Вокруг ядра вращаются электроны. Общий заряд атома равен нулю. Резерфорд полагал также, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Но модель Резерфорда не объясняла многих выявленных к тому времени закономерностей излучения атомов, вид атомных спектров и др.

В 1913 г.  датский физик Н. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые известны как постулаты Бора:

1. В любом атоме существует несколько стационарных орбит электрона, двигаясь по которым, электрон не излучает электромагнитной энергии.

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. При переходе электрона на более далёкую от ядра орбиту, происходит увеличение энергии атома, а при переходе электрона на более близкую к ядру орбиту происходит уменьшение энергии атома.

4.5. Фундаментальные физические взаимодействия

Все действующие в природе силы можно свести четырем фундаментальным  взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов.

4.5.1 Гравитация

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий:

1. малая  интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.

2. универсальность. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества.

3. дальнодействующая сила. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.                                      

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

4.5.2 Электромагнетизм

1. По величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

2. Не универсально. С электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

3. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника.

Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

4.5.3 Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она – нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Ферми назвал эту частицу-невидимку «нейтрино». Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, вне ядра, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое действие.

Особенности:

1. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного.

2. Слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого 10-16 см.

3. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

 

4.5.4 Сильное взаимодействие

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить. Очевидно, что необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено.

Особенности:

1. По своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия.

2. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см.

3. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

4.6. Классификация элементарных частиц  

4.6.1 Характеристики субатомных частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая Z-частица обладает массой в 200 000 раз большей массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (- 1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Спин – собственный момент импульса частицы. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинакова. Частицы со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 3600.

В зависимости от спина все частицы делятся на две группы:

бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1, 2;

фермионы — частицы с полуцелыми спинами 1/2, 3/2.

Частицы характеризуются  временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы,  не участвующие в сильном взаимодействии называются лептонами. Кроме того, существуют частицы – переносчики взаимодействий.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

4.6.2 Лептоны

Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон – это первая из открытых элементарных частиц.

Другой хорошо известный лептон – нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но, несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно, т.к. нейтрино почти неуловимы, они проникают через вещество, как будто его вообще нет.

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен

В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Значительно расширился список лептонов в 60-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и  тау-нейтрино. У каждого лептона есть своя античастица, таким образом, общее число лептонов равно двенадцати.

 

4.6.3 Адроны

Если лептонов двенадцать, то адронов сотни, и подавляющее большинство из них резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Наиболее известны такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются.

В 1963 г. была предложена кварковая модель адронов: все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд: -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из 2-х или 3-х кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг в 60-е гг. ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up-верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Пр.: протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), нейтрон udd.

Из различных комбинаций трех основных частиц получили все известные адроны. Но в 70-ые гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Это нанесло удар по первому варианту теории кварков, т.к. в том варианте уже не было места для новых частиц. Проблему решили за счет трёх новых ароматов: с – очарованный, b – прелестный, и t – истинный.

4.6.4 Частицы - переносчики взаимодействий

Перечень известных частиц не исчерпывается лептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Есть еще один тип частиц, которые непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон.

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия (связывают кварки попарно или тройками).

Переносчики слабого взаимодействия три частицы — W± и Z0 - бозоны.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля – гравитона. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи. Вселенной.

Тема 5. Современная биологическая картина мира.

  1.  Теория эволюции Ламарка.

Ж.Б. Ламарк, ботаник при Королевском ботаническом саде, первый предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. Ламарк сформулировал гипотезу эволюции, базирующуюся на следующих принципах:                        

  •  принцип градации (стремление к совершенству, к повышению организации);                                        
  •  принцип прямого приспособления к условиям внешней среды, который, в свою очередь, конкретизировался в двух законах:
    •  во-первых, изменения органов под влиянием продолжительного упражнения, (неупражнения) сообразно новым потребностям и привычкам;
    •  во-вторых, наследования таких приобретенных изменений новым поколением.

Согласно этой теории, современные виды живых существ произошли от ранее живших путем приспособления, обусловленного их стремлением лучше гармонизировать с окружающей средой. Например, жираф, доставая растущие на высоком дереве листья, вытягивал свою шею, и это вытягивание было унаследовано его потомками.

Хотя эволюционная концепция Ламарка казалась его современникам надуманной и мало кем разделялась, тем не менее, она носила новаторский характер, была первой обстоятельной попыткой решения проблемы эволюции органических форм.

  1.  Катастрофизм.

Иным образом конкретизировалась идея развития в учении катастрофизма (Ж. Кювье, Л. Агассис, и др.).

Главный принцип катастрофизма: история Земли есть процесс периодической смены одного типа геологических изменений другим, причем между сменяющими друг друга периодами нет никакой закономерной, преемственной связи, как нет ее между факторами, вызывающими эти процессы. По отношению к органической эволюции эти положения конкретизировались в двух принципах:

во-первых, в принципе коренных качественных изменений органического мира в результате катастроф;

во-вторых, в принципе прогрессивного восхождения органических форм после очередной катастрофы.

Только в периоды катастроф исчезают одни виды животных и растений и появляются другие, качественно новые.  

Эмпирические предпосылки катастрофизма: отсутствие палеонтологических связей между историческими сменяющими друг друга флорами и фаунами; существование резких перерывов между смежными геологическими слоями; отсутствие переходных форм между современными и ископаемыми видами; малая изменяемость видов на протяжении культурной истории человечества; устойчивость, стабильность современных видов; редкость случаев образования межвидовых гибридов; обнаружение обширных излияний лавы; обнаружение смены земных отложений морскими и наоборот; наличие целых серий перевернутых пластов, существование трещин в пластах и глубинных разломов коры.

Значение этой концепции в истории геологии, палеонтологии, биологии велико. Катастрофизм способствовал развитию стратиграфии, связыванию истории развития геологического и биологического миров, введению представления о неравномерности темпов преобразования поверхности Земли, выделению качественного своеобразия определенных периодов в истории Земли и др.

5.3 Дарвинизм

Дарвиновская теории эволюции, изложенная в работе «Происхождение видов» (1859г) опирается на следующие принципы:

• борьбы за существование;

• наследственности и изменчивости;

• естественного отбора.

«Борьба за существование» - каждый вид производит больше особей, чем их выживает до взрослого состояния; среднее количество взрослых особей находится примерно на одном уровне; каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды (отношения между организмами в популяции, с абиотическими факторами среды и др.).

Дарвин разграничивает два вида  изменчивости – определенная и неопределенная.

Определенная изменчивость (в современной терминологии — адаптивная модификация) – способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пишу и др.). По современным представлениям адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставить материал для органической эволюции.

Неопределенная изменчивость (в современной терминологии – мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения. Неопределенная изменчивость связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые в определенных условиях оказываются перспективными, способствуют органическому прогрессу.

Естественный отбор – механизм, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Тезис о естественном отборе является ведущим принципом дарвиновской теории. В нем отражается одна из фундаментальных черт живого – диалектика взаимодействия органической системы и среды. Эти принципы являются краеугольным основанием научной биологии.

5.4. Теории возникновения жизни

5.4.1 Креационизм  (creatio – создание, сотворение) – теория божественного сотворения жизни.

5.4.2 Теория самопроизвольного зарождения жизни – жизнь возникает непрерывно и самопроизвольно из неживой материи.                    

Эта теория господствовала со времен Аристотеля. В 16 веке её активно развивали Парацельс и Ван Гельмонт (метод производства мышей из пшеничных зерен, помещенных в шкаф вместе с грязным бельем). Итальянский врач Франческо Реди продемонстрировал, что на самом деле насекомые, жабы, лягушки и пр. рождаются из оплодотворенных яиц. Однако этот вопрос возник снова примерно в 1675 году вслед за открытием микроорганизмов. Нидхем показал, что если баранью подливку и подобные ей настои нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде, то в течение нескольких дней они обязательно порождают микроорганизмы. Он полагал, что раз нагревание убивает все ранее существовавшие микроорганизмы, то полученный результат служит доказательством самозарождения. Окончательно опроверг идею самозарождения Пастер.

5.4.3 Теория панспермии – теория занесения жизни на Землю из космоса. Согласно этому представлению, “зародыши жизни” блуждают в космическом пространстве до тех пор, пока не попадают на планету с подходящими условиями. В 1908 г. Аррениус предположил, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическом пространстве под давлением света.

В последние годы американские астрофизики Хойл и Викрамасингхом пришли к заключению, что не менее 80% частиц межзвездной пыли состоят из клеток бактерий и морских водорослей.

Совсем недавно возникла гипотеза “направленной панспермии”, согласно которой жизнь на Землю занесена не случайно, доставлена разумными существами.

5.4.4 Теория биохимической эволюции. Современная теория происхождения жизни впервые была сформулирована А.И.Опариным в 1924г. Он утверждал, что условия на первичной Земле отличались от современных: в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород. В ходе химических реакций синтезировались органические соединения, которые накапливались в океане. Энергией химические реакции обеспечивало коротковолновое излучение, которое в наши дни не пропускается к поверхности озоновым слоем.

Предполагается, что в хаосе химических реакций закреплялись реакции циклических типов, обладающие способностью к самоподдержанию.

Одновременно с отбором циклических реакций происходила самосборка липидных оболочек, которые отделяли объемы с упорядоченными реакциями от окружающей среды, не лишая их возможности обмена со средой.

Каким-то образом процесс самосборки оболочек и процесс отбора циклических реакций объединялись и привели к появлению неравновесных, отделенных от окружающей среды самоподдерживающихся образований, которые стали предшественниками простейшей клетки.

5.5. Антропосоциогенез.

5.5.1 Биологическая эволюция человека.

Факторы биологической эволюции человека: прямохождение, уровень развития головного мозга, степень развития руки.

Предшественники человека.

Дриопитек (древесная обезьяна) – предок шимпанзе, гориллы и человека. Обитал в тропических лесах 18-8 млн. лет назад. Некоторые «спустились с деревьев на землю».

Австралопитеки (южные обезьяны)  обитали в африканской саванне свыше 5 млн. лет назад. Размер головного мозга 650 см3. Прямохождение высвободило руки. Использовали палки, камни, кости, рога и пр. Утратили «шубу».

Homo habilis (человек умелый).

Homo erectus (человек выпрямленный) другая ветвь эволюции, к этому виду относят питекантропа (обезьяночеловека), синантропа (китайского человека). Жили 2 млн. – 500 тыс. лет назад. Объем головного мозга достигал 1250 см3.  Пользовались примитивными орудиями труда в виде обтесанных камней – рубила, скребки, наконечники и пр. Использовали огонь, владели примитивной членораздельной речью.

Неандертальцы. Жили в ледниковую эпоху 200-35 тыс. лет назад. Жили в пещерах, использовали огонь, одевались в шкуры. Изготавливали ножи, скребла, ударные орудия и пр. Жили группами, мужчины охотились, женщины и дети собирали плоды, корни, старики изготавливали орудия. Считаются тупиковой ветвью эволюции, последние неандертальцы жили среди первых современных людей и были ими вытеснены.

Кроманьонцы – современные люди (homo sapiens- человек разумный). Возникли 100-40 тыс. лет назад.

5.5.2 Социальная эволюция человека.

Факторы социальной эволюции человека: речь, труд, разделение труда, передача опыта, совместная деятельность и пр.

 5.6 Биосфера по Вернадскому.

Термин биосфера (сфера распространения жизни) был введен в науку австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875г. Первоначально под биосферой подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. Хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живых организмов от окружающей среды.

Первым, кто обратил внимание на обратную зависимость, был Ж.Б.Ламарк. Он указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры (все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов). Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой проникла в науку. Так, например, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру и состав. Живые организмы контролируют состав атмосферы. Т.о. биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она зависит, а с другой стороны сама воздействует на нее. Задачу исследовать, каким образом и в какой мере живые организмы влияют на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли  и в земной коре, поставил перед собой В.И.Вернадский.

Биосфера (в современном понимании) – оболочка Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и среду их обитания, которая находится во взаимодействии с живыми организмами.

Границы биосферы: биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Состав биосферы:

  1.  живое вещество – совокупность живых организмов
  2.  косное вещество – окружающая среда (атмосфера, горные породы)
  3.  биокосное вещество – образованные из живых  и косных тел (почва, поверхностные воды)
  4.  космическое вещество
  5.  радиоактивное вещество

Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Кроме растений и животных в состав живого вещества Вернадский включает и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени, во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество. Например, создание многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных.

Т.о. Вернадский выделяет новое состояние биосферы – ноосферу (сферу разума). Переход биосферы в ноосферу происходит под действием новой геологической силы, научной мысли человечества.

Тема 6. Астрономическая картина мира.

 6.1 Небулярная гипотеза Канта-Лапласа (от лат. nebula – туманность).

Эта гипотеза впервые попыталась объяснить происхождение солнечной системы: солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Под влиянием притяжения частиц образовывались отдельные скопления, сгущения, становившиеся центрами притяжения. Из одного такого центра притяжения образовалось солнце, вокруг которого частицы туманности начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые также начали вращаться вокруг своей оси. Т.о. впервые была создана развивающаяся картина мира.

 6.2 Солнечная система.

В состав Солнечной системы входят: Солнце, большие планеты, их спутники, малые планеты (астероиды), кометы, метеорные потоки, отдельные метеорные тела и межпланетный газ.

Известно, что в состав Солнечной системы входят девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые четыре образуют Земную группу планет: они имеют твердые поверхности и сравнительно медленно вращаются вокруг своей оси. Следующие четыре планеты принадлежат к группе планет-гигантов, названные так потому, что их диаметры в несколько раз превышают диаметр Земли. Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, т.к. состоят в основном из газов, больная часть их составов приходится на водород и гелий. Каждая из планет-гигантов имеет кольца, которые состоят из пыли, камней и льда. Астрономы считают, что подобные кольца – это части необразовавшихся спутников. Последняя планета – Плутон по своим физическим характеристикам относится скорее к планетам Земной группы.

Большинство планет, кроме Меркурия и Венеры имеют спутники. Всего в настоящее время насчитывается свыше 60 спутников планет.

 6.3 Звезды, их эволюция.

 1. Гравитационное сжатие: звезды образуются из газопылевой межзвездной среды. Под действием сил гравитации «протозвезда» сжимается и разогревается. Когда температура достигнет приблизительно 10 млн. К, внутри звезды начинается термоядерная реакция превращения водорода в гелий, и для звезды начинается новая стадия.

 2. Стационарное состояния: силы гравитации уравновешиваются давлением внутри звезды, возникшим вследствие протекания термоядерной реакции. В этом состоянии звезда может существовать долгое время. Когда водород, необходимый для термоядерной реакции, будет израсходован, наступает новый этап эволюции звезды.

 3.  Красный гигант: ядро, состоящее из гелия (продукт термоядерной реакции) начинает сжиматься и, как следствие, разогреваться. Термоядерная реакция будет продолжаться на периферии, где еще сохранился водород. Размер звезды и ее светимость будут увеличиваться, звезда превращается в красный гигант. В гелиевом ядре начинается новая термоядерная реакция превращения гелия в углерод.

Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы.

Если масса звезды небольшая, то звезда постепенно остывая, превращается в черный карлик. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности. Их размеры меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной.

Иначе свой путь заканчивают более массивные звезды. Гравитационные силы приводят к гравитационному коллапсу – катастрофически быстрому сжатию, в результате которого образуется нейтронная звезда. Плотность вещества в ядре становится столь высокой, что протоны и электроны сливаются друг с другом, превращаются в нейтроны. Внешние газовые слои, падающие на ядро, ударяются о него и отскакивают с большой скоростью, стремительно разлетаясь в околозвездном пространстве. Этот явление называется вспышкой сверхновой звезды.

Самые массивные звезды не могут обрести устойчивость на стадии образования нейтронного ядра. Если центральная область звезды будет сжата до величины гравитационного радиуса (для Солнца, например, эта величина равна 3 км.), то образуется черная дыра – сфера, в которой поле тяготения столь велико, что никакое излучение или частицы не могут выйти их этой сферы.

 6.4 Эволюция Вселенной.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит теория “Большого взрыва”, основы которой были заложены в трудах Д. Гамова. Эта теория предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой внутренней энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала – сначала быстро, а затем все медленнее до довольно низкой величины, при которой возникла условия, благоприятные для образования звезд и галактик.

Эта теория получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 году “реликтового излучения” – микроволнового фонового излучения и расширения Вселенной

Тема 7. Научные революции.

В развитии науки выделяют две фазы – фаза спокойного развития науки и фаза научной революции.

В период “нормальной науки” ученые имеют дело с накоплением фактов. Развитие “нормальной науки” длится до тех пор, пока существующая парадигма (совокупность представлений об окружающем мире) не утрачивает способности решать научные проблемы. На одном из этапов развития “нормальной науки” возникают несоответствия наблюдений и предсказаний парадигмы, аномалии. Когда таких аномалий накапливается достаточно много, прекращается нормальное течение науки и наступает кризис, который разрешается научной революцией, приводящей к ломке старой и созданию новой научной теории – парадигмы. Т.о. в результате научной революции коренным образом меняются представления об окружающем мире.

Таких научных революций в истории науки известно четыре:

Гелиоцентрическая система Коперника.

Классическая механика Ньютона.

Диалектизация естествознания (Небулярная гипотеза Канта – Лапласа, эволюционная теория Дарвина).

Возникновение релятивистской и квантовой физики (Специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая физика Планка).

Список литературы.

  1.  Концепции современного естествознания. Изд.3./ Самыгин С.И. - Ростов-н/Д: Феникс, 2002
  2.  Концепции современного естествознания. Учебник. Изд.2/ Лавриненко В.Н., Ратников В.П. – М.: Юнити, 2005
  3.  Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие для вузов. – М.: Гардарики, 2003
  4.  Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. – М.: Владос, 2001

PAGE  18


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

758. Микропроцессоры. Статический анализ системы управления ДПТ 135.5 KB
  Статический анализ системы управления ДПТ. Использование микропроцессоров (МП) и микроЭВМ в составе промышленного оборудования. Динамический анализ системы управления ДПТ. Универсальность и гибкость МП, как устройств с программным обеспечением, наряду с высокой надежностью и дешевизной.
759. Экономический анализ хозяйственной деятельности ЧАО Крымская фруктовая компания, Красногвардейского района АР Крым 143.73 KB
  Организационно-экономическая характеристика и анализ ресурсного потенциала ЧАО Крымская фруктовая компания красногвардейского района ар Крым. Анализ затрат на производство и себестоимости продукции на предприятии. Анализ производства продукции на ЧАО крымская фруктовая компания Красногвардейского района АР Крым.
760. Система исполнительной власти. Пoнятиe и признaки иcпoлнитeльнoй влacти Рoccийcкoй Фeдeрaции 313.5 KB
  Пoнятиe и признaки иcпoлнитeльнoй влacти Рoccийcкoй Фeдeрaции. Оргaны гocудaрcтвeннoгo упрaвлeния в цeнтрe и нa мecтaх являлиcь ocнoвными cубъeктaми aдминиcтрaтивнoгo прaвa или жe нocитeлями aдминиcтрaтивнoй прaвocубъeктнocти. Мeхaнизм иcпoлнитeльнoй влacти. Cиcтeмa и cтруктурa иcпoлнитeльнoй влacти Рoccийcкoй Фeдeрaции.
761. Развитие волевых качеств личности в онтогенезе 132.5 KB
  Общее понятие воли в психологической науке. Волевые качества личности: характеристика, развитие в онтогенезе. Условия эффективного развития волевых качеств личности. Дать характеристику понятию воля, рассмотреть теории воли. Преобразование непроизвольных психических процессов в произвольные.
762. Исследование типовых комбинационных устройств дешифратор-демультиплексор 125.5 KB
  Изучение принципов функционирования классического дешифратора со входом стробирования и возможности обращения его функции для реализации мультиплексора.
763. Разработка серверной части информационной системы для сопровождения процесса видеопроката 116 KB
  Построение концептуальной модели 0-уровня. Логическая и физическая реализация Базы данных. Список клиентов пункта видеопроката. Колличество фильмов, просмотренных клиентом Х. Жанр фильма, который имеет наименьший спрос.
764. Элементы структуры контроллинга 64.5 KB
  В сферу задач контроллинга входит постановка целей предприятия, сбор и обработка информации для принятия управленческих решений. Синтез элементов учета, анализа, контроля, планирования, реализация которых обеспечивает выработку альтернативных подходов при осуществлении оперативного и стратегического управления процессом достижения конечных целей.
765. Формування педагогічної культури батьків з питань дипломатичного спілкування з дітьми 53.5 KB
  Виявити найоптимальніші умови становлення батьківського авторитету для малюка. Довести вплив родини та устрою сімейного життя на формування у дітей поваги та любові до батьків. Удосконалити досвід партнерського спілкування батьків з дитиною.
766. История развития представлений о времени и расстоянии 51 KB
  Представления о пространстве. Эволюция базовых понятий пространства. Теория пространства. Представления о времени. История развития представлений о времени. Физическая теория времени.