 |
Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому. |
|
1. Понятие методологии и метода Важно различать такие понятия, как методология и метод. Методология - это учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. Методология естествознания - учение о принципах построения, формах и способах естественнонаучного познания. Так, например, методологическое значение имеют в естествознании законы сохранения. При любых исследованиях, теоретических построениях они должны обязательно учитываться. Метод - это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности. Метод можно также охарактеризовать как форму теоретического и практического освоения действительности, исходящего из закономерностей поведения изучаемого объекта. Ф. Бэкон [1] сравнивал правильный научный метод со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте. Методы научного познания включают так называемые всеобщие методы, т.е. общечеловеческие приемы мышления, общенаучные методы и методы конкретных наук. Методы могут быть классифицированы и по соотношению эмпирического знания (т.е. знания полученного в результате опыта, опытного знания) и знания теоретического, суть которого - познание сущности явлений, их внутренних связей. Классификация методов научного познания представлена на рис. 1,2. Следует иметь в виду, что каждая отрасль естествознания наряду с общенаучными применяет свои конкретно-научные, специальные методы, обусловленные сущностью объекта исследования. Однако зачастую методы, характерные для какой-либо конкретной науки применяются и в других науках. Это происходит потому, что объекты исследования этих наук подчиняются также и законам данной науки. Например, физические и химические методы исследования применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи и, следовательно, подчиняются физическим и химическим законам (вспомним «лестницу Кекуле», рассмотренную нами в первой лекции). Всеобщих методов в истории познания - два: диалектический и метафизический. Это общефилософские методы. Диалектический метод - это метод познания действительности в ее противоречивости, целостности и развитии. С середины 19-го века метафизический метод все больше и больше вытеснялся из естествознания диалектическим методом. 2. Методы научного познания Соотношение общенаучных методов также можно представить в виде схемы (рис.2). Анализ - мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Обобщение - процесс мысленного перехода от единичного к о общему, от менее общего, к более общему, например: переход от суждения «этот металл проводит электричество» к суждению «все металлы проводят электричество», от суждения : «механическая форма энергии превращается в тепловую» к суждению «всякая форма энергии превращается в тепловую». Абстрагирование (идеализация) - мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследования. В результате идеализации из рассмотрения могут быть исключены некоторые свойства, признаки объектов, которые не являются существенными для данного исследования. Пример такой идеализации в механике - материальная точка, т.е. точка, обладающая массой, но лишенная всяких размеров. Таким же абстрактным (идеальным) объектом является абсолютно твердое тело. Индукция - процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов, т.е. познание от частного к общему. На практике чаще всего применяется неполная индукция, которая предполагает вывод о всех объектах множества на основании познания лишь части объектов. Неполная индукция, основанная на экспериментальных исследованиях и включающая теоретическое обоснование называется научной индукцией. Выводы такой индукции часто носят вероятностный характер. Это рискованный, но творческий метод. При строгой постановке эксперимента, логической последовательности и строгости выводов она способна давать достоверное заключение. По словам известного французского физика Луи де Бройля, научная индукция является истинным источником действительно научного прогресса. Дедукция - процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Она тесно связана с обобщением. Если исходные общие положения являются установленной научной истиной, то метом дедукции всегда будет получен истинный вывод. Особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. Математики оперируют математическими абстракциями и строят свои рассуждения на общих положениях. Эти общие положения применяются к решению частных, конкретных задач. В истории естествознания были попытки абсолютизировать значение в науке индуктивного метода (Ф. Бэкон) или дедуктивного метода (Р. Декарт), придать им универсальное значение. Однако эти методы не могут применяться как обособленные, изолированные друг от друга. каждый из них используется на определенном этапе процесса познания. Аналогия - вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов или явлений в каком-либо признаке, на основании установленного их сходства в других признаках. Аналогия с простым позволяет понять более сложное. Так, по аналогии с искусственным отбором лучших пород домашних животных Ч. Дарвин открыл закон естественного отбора в животном и растительном мире. Моделирование - воспроизведение свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге - модели. Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий. фотографии, протезы, куклы и т.п. и идеальными (абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель. Обычно это система уравнений, описывающая взаимосвязи в изучаемой системе. Исторический метод подразумевает воспроизведение истории изучаемого объекта во всей своей многогранности, с учетом всех деталей и случайностей. Логический метод - это, по сути, логическое воспроизведение истории изучаемого объекта. При этом история эта освобождается от всего случайного, несущественного, т.е. это как бы тот же исторический метод, но освобожденный от его исторической формы. Классификация - распределение тех или иных объектов по классам (отделам, разрядам) в зависимости от их общих признаков, фиксирующее закономерные связи между классами объектов в единой системе конкретной отрасли знания. Становление каждой науки связано с созданием классификаций изучаемых объектов, явлений. Классификация - это процесс упорядочивания информации. В процессе изучения новых объектов в отношении каждого такого объекта делается вывод: принадлежит ли он к уже установленным классификационным группам. В некоторых случаях при этом обнаруживается необходимость перестройки системы классификации. Существует специальная теория классификации - таксономия. Она рассматривает принципы классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение (органический мир, объекты географии, геологии и т.п.). Одной из первых классификаций в естествознании явилась классификация растительного и животного мира выдающегося шведского натуралиста Карла Линнея (1707-1778). Для представителей живой природы он установил определенную градацию: класс, отряд, род, вид, вариация. 2. Методы эмпирического и теоретического познания Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу и являющихся основой для определенных теоретических обобщений. Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. Это наблюдение в специальных контролируемых условиях. Эксперимент позволяет, во-первых, изолировать исследуемый объект от влияния побочных несущественных для него явлений. Во-вторых, в ходе эксперимента многократно воспроизводится ход процесса. В третьих, эксперимент позволяет планомерно изменять само протекание изучаемого процесса и состояния объекта изучения. Измерение - это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины. В современной науке учитывается принцип относительности свойств объекта к средствам наблюдения, эксперимента и измерения. Так, например, если изучать свойства света, изучая его прохождение через решетку, он будет проявлять свои волновые свойства. Если же эксперимент и измерения будут направлены на изучение фотоэффекта, будет проявляться корпускулярная природа света (как потока частиц - фотонов). 3. Формы научного знания К формам научного знания относят проблемы, научные факты, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории и законы (см. рис.4). Факт, как явление действительности, становится научным фактом, если он прошел строгую проверку на истинность. Факты - это наиболее надежные аргументы как для доказательства, так и для опровержения каких-либо теоретических утверждений. И.П. Павлов называл факты «воздухом ученого». Однако при этом надо брать не отдельные факты, а всю, без исключения, совокупность фактов, относящихся к рассматриваемому вопросу. В противном случае возникает подозрение, что факты подобраны произвольно. Научные проблемы - это осознанные вопросы, для ответа на которые имеющихся знаний недостаточно. Ее можно определить и как «знание о незнании». Научная гипотеза - такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказано, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда требований, к которым относятся следующие. 1. Отсутствие противоречий. Основные положение предлагаемой гипотезы не должны противоречить известным и проверенным фактам. (При этом следует учитывать, что бывают и ложные факты, которые сами нуждаются в проверке). 2. Соответствие новой гипотезы надежно установленным теориям. Так, после открытия закона сохранения и превращения энергии все новые предложения о создании «вечного двигателя» более не рассматриваются. 3. Доступность выдвигаемой гипотезы экспериментальной проверке, хотя бы в принципе (см. ниже - принцип верифицируемости). 4. Максимальная простота гипотезы. Категории науки - это наиболее общие понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, предметов и явлений объективного мира. Например, важнейшими категориями являются материя, пространство, время, движение, причинность, качество, количество, причинность и. т.п. Законы науки отражают существенные связи явлений в форме теоретических утверждений. Принципы и законы выражаются через соотношение двух и более категорий. Научные принципы - наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Научные принципы играют роль исходных, первичных посылок и закладываются в фундамент создаваемых теорий. Содержание принципов раскрываются в совокупности законов и категорий. Научные концепции - наиболее общие и важные фундаментальные положения теорий. Научная теория - это систематизированные знания в их совокупности. Научные теории объясняют множество накопленных научных фактов и описывают определенный фрагмент реальности (например, электрические явления, механическое движение, превращение веществ, эволюцию видов и т.п.) посредством системы законов. Главное отличие теории от гипотезы - достоверность, доказанность. сам термин теория имеет множество смыслов. [3] Теория в строго научном смысле - это система уже подтвержденного знания, всесторонне раскрываю щая структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношение всех его элементов, сторон и теорий. Научная теория должна выполнять две важнейшие функции, первой из которых является объяснение фактов, а вторая - предсказание новых, еще неизвестных фактов и характеризующих их закономерностей. Научная теория - одна из наиболее устойчивых форм научного знания, но и они претерпевают изменения вслед за накоплением новых фактов. Когда изменения затрагивают фундаментальные принципы теории, происходит переход к новым принципам, а , следовательно, к новой теории. Изменения же в наиболее общих теориях, приводят к качественным изменениям всей системы теоретического знания. в результате чего происходят глобальные естественнонаучные революции и меняется научная картина мира. Научная картина мира - это система научных теорий, описывающая реальность. Подробнее о научных картинах мира, их эволюции будет сказано в следующей лекции. 4. Процесс научного познания Определив формы научного знания и методы научного познания, мы можем схематично представить весь процесс научного познания в виде некоторой схемы (см. рис. 5). 5. Критерии истинности научного знания В настоящее время, в силу ряда объективных причин в мире оказались весьма сильны антинаучные тенденции, представляющие собой заявку на понятное всем, четкое миропонимание, отличное от того, которое дает классическое естествознание. При этом в общественном сознании размывается грань между наукой и псевдонаукой, наукой и мистикой. В этих условиях важно знать критерии разграничения научных и псевдонаучных идей. На схеме рис. 6 даны принципы, справедливые для научных теорий, научного знания, которые отличают научное знание от псевдонаучного. Контрольные вопросы 1. Чем отличается методология от метода? Литература
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Лекция 1. Введение в дисциплину.
Лекция 2. История развития естествознания
Лекция 3. Методология научных исследований
Лекция 4. Механика и методология Ньютона
| 1. Движение - одна из основных проблем естество знания. Аристотелевское представление о движении Контрольные вопросы |
1. Движение - одна из основных проблем естествознания
Развитие физики в 17-18 веках было подготовлено трудами, наблюдениями, идеями, догадками ученых античности и средневековья. Ньютон сам говорил, что своими успехами он обязан тому, что «…стоял на плечах гигантов». Ньютон создал динамику – учение о движении тел, которое вошло в науку также под названием «механика Ньютона». В самом начале нашего курса были сформулированы так называемые основные мировые загадки, одна из которых – проблема движения (причины, источники, законы движения).
Одним из первых, кто задумался о сущности движения, был Аристотель . Аристотель определяет движение как изменение положения тела в пространстве. Пространство, по Аристотелю, целиком заполнено материей, неким подобием эфира или прозрачной, как воздух субстанцией. Пустоты в природе нет («природа боится пустоты» ). Место тела задается материей, которая непосредственно соприкасается с его поверхностью. Поэтому собственное, или истинное движение есть изменение места тела. При увлечении тела средой оно «собственно» покоится», и такое движение не требует никакой действующей на него силы в качестве причины движения. (Так лодка, плывущая по течению, находится «собственно» в состоянии покоя.) Аристотель рассматривает четыре причины движения:
Аристотель ввел понятия естественного и насильственного движений. В чем источник движения? – спрашивает он. Ведь сама материя косна, пассивна. Самодвижущееся тело должно, таким образом, иметь в себе источник движения. Для местных движений, т.е. движений в пределах Земли он вводит понятие «естественного места» , стремление к которому заложено в каждом теле, совершающем «естественное движение» . Для тяжелых тел таким естественным местом является Земля, а для легких – огонь, или расположенная над воздухом огненная сфера.
Понятие силы. В своих рассуждениях Аристотель использовал понятия силы, не давая ему строгого определения. Он различал три вида силы: тягу, давление и удар. Рассматривал он и более сложные виды движения, например, вращательное, и пришел к понятию момента силы F*r как причины вращения.
Для естественного падения Аристотель постулировал закон V=F/w, где V – скорость, F – сила стремления тела к своему естественному месту , w – сопротивление воздуха. Таким образом, при отсутствии сопротивления воздуха скорость падения тела является бесконечной. Следовательно, пустоты в природе нет . По Аристотелю, сила стремления тела к естественному месту пропорциональна его массе, т.е. тяжелые тела падают быстрее (утверждение, впоследствии опровергнутое Галилеем). Все это, считал Аристотель, справедливо для «естественного», т.е. в пределах Земли движения. Небесные же тела, по Аристотелю, стремятся к «совершенному» движению по окружности, поэтому для их движений не нужно никакой силы.
Количество движения. Существенный вклад в формирование механической картины мира внес Рене Декарт – французский математик и философ (1596-1650). Мир Декарта состоит из материи как простой протяженности, наделенной только геометрическими характеристиками, и движения . Декарт сформулировал закон, который утверждает постоянство количества движения mV, равного произведению приложенной силы на время ее действия FDt, называемому импульсом силы. (mV = FDt ). Он также предложил использовать в математике прямоугольную (ортонормированную ) систему координат (X,Y,Z), получившую название декартовой системы координат .
2. Механика Галилея как основа механики Ньютона
Известно, что Евклид строил свою геометрию, вводя вначале постулаты, аксиомы, определения. Подобным же образом действовал Галилей, создавая свою механику. Подобно тому как Евклид устанавливал соотношения в пространстве, Галилей выявлял характер движения тел. Он ввел определения силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения. Скорость он, в частности, определял как отношение пройденного пути к затраченному времени, а силу сопоставлял такому математическому понятию как вектор, т.е. пользовался практически современным научным языком.
Галилей сформулировал четыре аксиомы.
1-я аксиома (Закон инерции). Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. (Интересно отметить, что это утверждение никак не следует из опыта – ведь на практике мы видим постепенное замедление движения и Галилей использовал принцип идеализации, мысленный эксперимент).
2-я аксиома: свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя , связано с высотой, которая пройдена к этому моменту как V2 = 2gH.
3-я аксиома: свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
4-я аксиома (принцип относительности) также построена путем мысленных экспериментов, путем абстракции. Галилей доказал, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение. То же происходит при падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, но человеку, стоящему на берегу, траектория его падения представится в виде параболы. Здесь роль корабля сводится к сообщению телу начальной скорости Vо . Действительно, из курса школьной физики нам известно, что траектория вылетающего из пушки снаряда также представляет собой параболу.
В своем знаменитом труде «Диалог о двух главнейших системах мира: птолемеевой и коперниковой» (1632г.) (ранее уже упоминавшемся), Галилей подробно рассматривал принцип относительности. Он рассматривает мысленный опыт на движущемся корабле. («Сотни раз, сидя в своей каюте, я спрашивал себя: движется ли корабль или стоит на месте?»). Так Галилей сформулировал принцип, получивший название Принципа относительности Галилея следующим образом.
Внутри равномерно движущейся (т.н. инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся .
В этой же книге Галилей опроверг аристотелевские представления о движении.
3. Механика Ньютона
Исаак Ньютон (1643-1727), родившийся вскоре смерти Галилея, унаследовал, таким образом, все методы, знания и новые идеи предыдущего поколения ученых и создал теорию, которая на два столетия (!) определила развитие науки. В своем основном труде «Математические начала натуральной философии», опубликованной по настоянию и на деньги своего друга – астронома Э. Галлея (открывшего, в частности, знаменитую комету Галлея), обобщил открытия Галилея в качестве двух законов, добавив к ним третий закон и закон всемирного тяготения.
К первому изданию «Начал» Ньютон написал предисловие, в котором говорит о тенденции современного ему естествознания подчинить явления природы законам математики. Далее Ньютон определяет свою работу как «математические основания физики». Он пишет, что задачи физики состоят в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить все остальные явления.
Итак, вспомним знаменитые законы механики Ньютона.
I закон, или закон инерции. (Фактически, это закон, открытый еще Галилеем, но сформулированный более строго):
всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.
II закон. Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения)
с действующей на него силой 
, т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то
, где а – ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как мера инертности
. Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса.
III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.
IV закон, сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.
Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его »).
Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:
, где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным g = 6,67*10-11
Н×м2
/кг2
.
Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации , т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.
Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон, таким образом, динамически обосновал систему Коперника и законы Кеплера.
Примечание. О том, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, догадывались некоторые ученые и до Ньютона. Но только Ньютон сумел логически обосновать и убедительно доказать этот закон с помощью законов динамики и эксперимента.
Следует обратить внимание на важный факт, свидетельствующий о глубокой интуиции Ньютона. Фактически Ньютон установил пропорциональность между массой и весом , что означало, что масса является не только мерой инертности, но мерой гравитации . Ньютон отлично понимал важность этого факта. В своих опытах он установил, что масса инертная и масса гравитационная совпадают с точностью до 10-3 . Впоследствии А. Эйнштейн, считая равенство инерционной и гравитационной масс фундаментальным законом природы , положил его в основу общей теории относительности, или ОТО. (Интересно, что в период создания ОТО это равенство было доказано с точностью до 5×10-9 , а в настоящее время оно доказано с точностью до 10-12‑ .)
В третьей части книги Ньютон изложил Общую Систему Мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет и т.д. на основе закона всемирного тяготения.
Утверждение Ньютона о том, что Земля сжата у полюсов, было экспериментально доказано в 1735-1744 гг. в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академии наук.
Следующим большим успехом закона всемирного тяготения было предсказание ученым Клеро времени возвращения кометы Галлея. В 1682 г. Галлей открыл новую комету и предсказал ее возвращение в сферу земного наблюдения через 76 лет. Однако в 1758 г. комета не появилась, и Клеро сделал новый расчет времени ее появления на основе закона всемирного тяготения с учетом влияния Юпитера и Сатурна. Назвав время ее появления – 4 апреля 1759 г., Клеро ошибся всего на 19 дней.
(Успехи теории тяготения в решении проблем небесной механики продолжались и в 19 веке. Так в 1846 г. французский астроном Леверье писал своему немецкому коллеге Галле: «направьте ваш телескоп на точку эклиптики в созвездии Водолея на долготе 326 градусов, и вы найдете в пределах одного градуса от этого места новую планету с заметным диском, имеющую вид звезды приблизительно девятой величины.» Эта точка была вычислена Леверье и независимо от него Адамсом (Англия) на основе закона всемирного тяготения при анализе наблюдаемых «неправильностей» в движении Урана и предположения, что вызываются они влиянием неизвестной планеты. И действительно, 23 сентября 1846 г. Галле в указанной точке неба обнаружил новую планету. Так родились слова «Планета Нептун открыта на кончике пера».)
4. Ньютоновская методология исследований
В работах Ньютона раскрывается его мировоззрение и методология исследований. Ньютон был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением все в мире свести к механике Ньютон поддерживал т.н. механистический материализм (механицизм), являющийся разновидностью редукционизма. Ньютон верил в Бога, серьезно относился к религии, однако не искал сверхъестественных причин явлений природы и в ответ на вопрос клерикалов – мыслима ли материальная природа тяготения или тяготение представляет собой проявление божественной воли? – отвечал: «… я не указывал причины самого тяготения. Причину я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю ». (Другой вариант ответа: «я не нуждался в этой гипотезе» - т.е. гипотезе Бога ).
Свой метод познания Ньютон характеризует следующим образом: «Вывести два или три общих принципа движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных принципов…» Под принципами Ньютон подразумевает наиболее общие законы, лежащие в основе физики. Впоследствии этот метод был назван методом принципов.
Требования к научному исследованию Ньютон изложил в виде 4-х правил.
1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений. (Этот принцип известен также как принцип «бритвы Оккама » по имени средневекового философа Оккама и означающий, что не следует привлекать дополнительные понятия, явления, причины («сущности») для объяснения явлений, если они могут быть объяснены известными причинами).
2. Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины.
3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.
4. Законы, индуктивно (т.е. путем обобщения), выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.
Поскольку принципы устанавливаются путем исследования явлений природы, то вначале они представляют собой гипотезы, из которых путем логической дедукции (сведения от общего к частному) получают следствия, проверяемые на практике. Метод Ньютона есть, по сути, гипотетико-дедуктивный метод, который в современной физике является одним из основных для построения физических теорий.
Метод Ньютона получил высокую оценку в методологических высказываниях многих ученых, в том числе А. Эйнштейна и известного советского физика С.И. Вавилова.
5. Оптика Ньютона – предвосхищение современной концепции о двойственной природе света
Важно знать, что Ньютон занимался не только проблемами механики. Он – автор ряда работ по оптике, в которых поставил очень важный и сложный вопрос: «Не являются ли лучи света очень мелкими частицами, испускаемыми светящимися телами? » Утвердительный ответ на этот вопрос лежит в основе корпускулярной теории света (<лат. corpuscula - частица). Эта теория была безоговорочно принята последователями Ньютона и стала господствующей в оптике 18-го века, однако многие ученые с ней не соглашались. Ведь она не могла объяснить такие явления как интерференция и дифракция света, которые легко объяснялись на основе волновых представлений о природе света. К чести Ньютона, в ответ на поставленный вопрос он не был категоричен, и в теории света он хотел объединить корпускулярные и волновые (континуальные) представления. В этом проявилось величие Ньютона. Действительно, если 19-й век оказался триумфом волновой теории света, то в 20-м веке вновь была показана необходимость сохранить представление о свете как о потоке частиц – фотонов . Современная физика установила двойственную (корпускулярно-волновую природу света).
Ньютону принадлежат и другие гениальные идеи. Первая – о возможном превращении тел в свет и обратно . Ньютон писал: «Превращение тел в свет и света в тела соответствует ходу природы, которая как бы услаждается превращениями». В 1933-1934 гг. были впервые открыты факты превращения электрона и его античастицы – позитрона в гамма-кванты (фотоны), а также рождение электрона и позитрона при взаимодействии фотона с зараженными частицами. Вторая идея – о влиянии тел на распространение света. «Не действуют ли тела на свет и не изгибают ли этим действием его лучей? – спрашивал Ньютон. Этот эффект был предсказан общей теорией относительности (ОТО) А. Эйнштейна в 1916 г. и подтвержден в 1919 г. во время солнечного затмения.
Дальнейшее развитие механики Ньютона связано с работами Л.. Эйлера (петербургского академика, 1707-1783гг.), французского механика Лагранжа и других ученых и сопровождалось проникновением в механику методов интегрально-дифференциального исчисления и поисками более общих принципов, чем принципы, сформулированные Ньютоном.
В результате работ многих ученых на основе механики Ньютона была создана механическая картина мира (МКМ).
Контрольные вопросы
1. Почему сущность и источники движения были отнесены к основным мировым загадкам.
2. Расскажите, как понимал движение Аристотель.
3. Ньютон говорил, что своими успехами он обязан тому, что «…стоял на плечах гигантов». Почему?
4. Назовите аксиомы о движении тел, сформулированные Галилеем?
5. Почему механика Галилея может справедливо рассматриваться как основа механики Ньютона?
6. Как понимал Ньютон задачи физики?
7. Перечислите законы, сформулированные Ньютоном.
8. Запишите и объясните формулу, выражающую закон всемирного тяготения.
9. Объясните понятия "инертная масса" и "гравитационная масса". Как соотносятся друг с другом эти величины?
10. Как называется основной труд И. Ньютона, в котором он сформулировал законы механики?
11. Какие теоретические выводы и построения были сделаны Ньютоном на основе закона всемирного тяготения? Приведите их экспериментальные подтверждения.
12. Что такое механицизм?
13. Охарактеризуйте кратко ньютоновский метод познания.
14. Назовите требования к научному исследованию, сформулированные Ньютоном.
15. Что такое "бритва Оккама"?
16. Почему метод Ньютона называется методико-дедуктивным?
17. К чему сводится корпускулярная теория света. Почему многие ученые не соглашались с ней?
18. Какие идеи о природе света были высказаны Ньютоном?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 1998.
2. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
3. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
Лекция 5. Механическая картина мира (МКМ)
1. Понятие научной картины мира
2. Формирование МКМ
3. Основные понятия, законы и принципы МКМ
4. Основные принципы МКМ
Контрольные вопросы
Литература
1. Понятие научной картины мира
Само понятие «научная картина мира появилось в естествознании и философии в конце 19 в., однако специальный, углубленный анализ его содержания стал проводиться с 60-х годов 20 века. И, тем не менее, до сих пор однозначное толкование этого понятия не достигнуто. Дело в том, что само это понятие несколько размыто, занимает промежуточное положение между философским и естественнонаучным отражением тенденций развития научного познания. Так существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук, например, физическая, биологическая…, или с точки зрения каких-либо господствующих методов, стилей мышления - вероятностно-статистическая, эволюционистская, системная, информационно-кибернетическая, синергетическая и т.п. картины мира. В то же время, можно дать следующие объяснение понятия научной картины мира. (НКМ).
Научная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом НКМ не является совокупностью общих знаний, а представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы, формируя, таким образом, мировоззрение человека.
В отличие от строгих теорий НКМ обладает необходимой наглядностью, характеризуется сочетанием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей.
Особенности различных картин мира выражаются в присущих им парадигмах.
Парадигма (<греч. – пример, образец) – совокупность определенных стереотипов в понимании объективных процессов, а также способов их познания и интерпретации.
Таким образом, можно дать следующее определение НКМ.
НКМ – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное их обобщение, мировоззренческий синтез различных научных теорий.
2. Формирование механической картины мира (МКМ)
В истории науки научные картины мира не оставались неизменными, а сменяли друг друга, таким образом, можно говорить об эволюции научных картин мира. Наиболее наглядной представляется эволюция физических картин мира : натурфилософской – до 16-17 вв., механистической – до второй половины 19 в., термодинамической (в рамках механистической теории) в 19 в, релятивистской и квантово-механической в 20-м веке. На рис.1 схематично представлено развитие и смена научных картин мира в физике.
Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным измерениям и наблюдениям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие понимание природы. Физика – это экспериментальная наука, поэтому она не может достичь абсолютных истин (как и само познание в целом), поскольку эксперименты сами по себе несовершенны. Этим обусловлено постоянное развитие научных представлений.
3. Основные понятия и законы МКМ
МКМ складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины Мира являются классических атомизм, восходящий к Демокриту и т.н. механицизм . Само становление механической картины справедливо связывают с именем Галилео Галилея, впервые применившего для исследования природы экспериментальный метод вместе с с измерениями исследуемых величин и последующей математической обработкой результатов. Этот метод принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные (<лат. a priori – букв. до опыта), т.е. не связанные с опытом и наблюдением, умозрительные схемы, для объяснения непонятных явлений вводились дополнительные сущности, например мифическая “жидкость” теплород, определявшая нагретость тела или флогистон – субстанция, обеспечивающая горючесть вещества (чем больше флогистона в веществе, том лучше оно горит).
Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, в свою очередь, свидетельствовали о том, что между движениями земных и небесных тел не существует принципиальной разницы (как полагал Аристотель), поскольку все они подчиняются определенным естественным законам.
Ядром МКМ является механика Ньютона (классическая механика).
Формирование классической механики и основанной на ней механической картины мира происходило по 2-м направлениям (см. рис.2):
1) обощения полученных ранее результатов и, прежде всего, законов свободного падения тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;
2) создания методов для количественного анализа механического движения в целом.
В первой половине 19 в. наряду с теоретической механикой выделяется и прикладная (техническая) механика, добившаяся больших успехов в решении прикладных задач. Все это приводило к мысли о всесилии механики и к стремлению создать теорию теплоты и электричества так же на основе механических представлений. Наиболее четко эта мысль была выражена в 1847 г. физиком Германом Гельмгольцем в его докладе “О сохранении силы”: “Окончательная задача физических наук заключается в том, чтобы явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивающим силам, величина которых зависит от расстояния”
В любой физической теории присутствует довольно много понятий, но среди них есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, ее базис, мировоззренческая сущность. К таким понятиям относят т.н. фундаментальные понятия, а именно:
материя,
движение,
пространство,
время,
взаимодействие.
Каждое из этих понятий не может существовать без четырех остальных. Вмести они отражают единство Мира. Как же раскрывались эти фундаментальные понятия в рамках МКМ?
МАТЕРИЯ. Материя, согласно МКМ – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов, т.е. в МКМ были приняты дискретные (дискретный – “прерывный”), или, другими словами, корпускулярные представления о материи. Вот почему важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твердого тела (Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, абсолютно твердое тело – система материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным).
ПРОСТРАНСТВО . Вспомним, что Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты 18-19 вв. наоборот, признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон, впрочем, рассматривал два вида пространства:
· относительное , с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношения между телами;
· абсолютное , которое по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было и внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным; т.е. абсолютное пространство – это пустое вместилище тел , оно не связано со временем, и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Пространство в Ньютоновской механике является
Впоследствии А. Эйнштейн, анализируя понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, писал: “Если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)”. В этом случае пространство и время не содержат никаких особых “меток”, от которых можно было бы вести отсчет и ответить на вопросы “Где?” и “Когда?” Поэтому для изучения в них материальных объектов необходимо вводить систему отсчета (систему координат и часы). Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, называется инерциальной .
трехмерным (положение любой точки можно описать тремя координатами),
непрерывным,
бесконечным,
однородным (свойства пространства одинаковы в любой точке),
изотропным (свойства пространства не зависят от направления).
Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида.
ВРЕМЯ . Ньютон рассматривал два вида времени, аналогично пространству: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений, а абсолютное (истинное, математическое время) само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Таким образом, и время у Ньютона, аналогично пространству – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему.
ДВИЖЕНИЕ . В МКМ признавалось только механическое движение, т.е.изменение положения тела в пространстве с течением времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции ). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона, при этом использовались такие важные понятия как сила и масса . Под силой в МКМ понимается причина изменения механического движения и причина деформации. Кроме того, было замечено, что силы удобно сравнивать по вызываемым ими ускорениям одного и того же тела (m = const ). Дейсвительно, из 2-го закона следует, что F1 /F2 = a1/а2 , величина же m = F/a для данного тела было величиной постоянной и характеризовала инертность тела. Таким образом, количественная мера инертности тела есть его инертная масса.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Здесь следует вернуться в наше время и посмотреть, как решается вопрос о взаимодействиях (первопричине, природе сил) в рамках современной научной картины Мира. Современная физика все многообразие взаимодействий сводит к 4-м фундаментальным взаимодействиям: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. В дальнейшем они будут рассмотрены более подробно. Здесь же остановимся на гравитационном.
Гравитационное взаимодействие означает наличие сил притяжения между любыми телами. Величина этих сил может быть определена из закона всемирного тяготения. Если же известна масса одного из тел (эталона) и сила гравитации, можно определить и массу второго тела. Масса, найденная из закона всемирного тяготения, получила название гравитационной . Ранее уже говорилось о равенстве этих масс, поэтому масса является одновременно и мерой инертности и мерой гравитации. Гравитационные силы являются универсальными. Ньютон ничего не говорил о природе гравитационных сил. Интересно, что и в настоящее время их природа все еще остается проблематичной.
Следует сказать, что в классической механике вопрос о природе сил, собственно, и не стоял, вернее, не имел принципиального значения. Просто все явления природы сводились к трем законам механики и закону всемирного тяготения, к действию сил притяжения и отталкивания.
4. Основные принципы МКМ
Важнейшими принципами МКМ являются:
принцип относительности,
принцип дальнодействия,
принцип причинности.
Принцип относительности Галилея . Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея
Пусть имеется ИСО XYZ, относительно ее вдоль оси движется равномерно со скоростью V0 система X’Y’Z’. Пусть в момент t = 0 начала координат О и О’ совпадают. Тогда координаты т. М в этих двух системах в некоторый момент времени t будут связаны соотношениями:
x = x'+Vо
t;
y = y';
z = z'.
Время везде течет одинаково, т.е. t = t', масса тел остается неизменной, т.е. m = m'.
Для скоростей: Vx = Vо + V'x ; Vy = V'y ; Vz = V'z ;
Если время и скорости одинаковы и V0 - величина поcтоянная (из условия), то ax = a'x , и, следовательно, силы в обеих системах одинаковы (max = ma’x ), значит, что все механические явления в ИСО протекают одинаково . Поэтому никакими механическими опытами нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения.
Принцип дальнодействия . В МКМ было принято, что взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и было названо принципом дальнодействия.
Принцип причинности. Как уже было сказано, в МКМ все многообразие явлений природы к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм). С другой стороны известно, что беспричинных явлений нет, что всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия. Эту мысль развивал математик Лаплас, утверждая следующее: “Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.” Т.е. Лаплас полагал, что все связи между явлениями осуществляется на основе однозначных законов. Это учение обусловленности одного явления другим, об их однозначной закономерной связи вошло в физику как так называемый лапласовский детерминизм (детерминизм – предопределенность). Существенные однозначные связи между явлениями выражаются физическими законами.
Контрольные вопросы
1. Как могут быть классифицированы научные картины мира?
2. Дайте определение НКМ
3. Что такое парадигма?
4. Назовите основные физические картины мира и укажите приблизительное время, когда они формировались и развивались.
5. На каких основных идеях основана МКМ?
6. Что такое априорное суждение?
7. На каких принципах основана механическая картина мира?
8. Поясните, что такое принцип дальнодействия.
9. Объясните принцип относительности Галилея.
10. Что такое принцип причинности?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
Лекция 6. Термодинамическая картина мира (I)
| 1. Промышленная революция и развитие теории теплоты Контрольные вопросы |
1. Промышленная революция и развитие теории теплоты
Как уже было сказано ранее, классическая физика пыталась свести все силы к силам притяжения и отталкивания. Но, как вскоре выяснилось, в природе встречаются и более сложные связи. Прежде всего, они обратили на себя внимание при изучении тепловых явлений и фазовых переходов. Сложность причинно-следственных связей проявилась, в частности, в следующем.
Во-первых ,, у одного и того же следствия могут быть разные причины: например, превращение насыщенного пара в жидкость за счет повышения давления или понижения температуры.
Во-вторых ,, оказалось, что при тепловых процессах состояние отдельных частиц (молекул) не отражает состояние системы в целом.
Действительно, если рассмотреть, например, тепловое движение, то здесь параметры отдельной частицы: скорость, кинетическая энергия, импульс (называемые также микропараметрами ) изменяются без изменения макропараметров (Т0 , Р, V ), характеризующих систему в целом. Следовательно, состояние системы не определяется состоянием отдельных частиц.
Изменения микропараметров частиц описываются статистическими законами, носящими вероятностный характер. Это связано с действием на частицы большого числа случайных обстоятельств и с проявлением случайности в их движении. Несмотря на то, что и случайные явления имеют свою причину, предсказать те или иные следствия в этом случае можно лишь с определенной степенью вероятности . Таким образом, лапласовский детерминизм оказывается здесь несостоятельным.
Пристальное изучение тепловых явлений началось уже во 2-й половине 18 в. Это было связано с началом промышленной революции, изобретением и внедрением паровых машин.
Среди ученых, чьи труды легли в основу физики тепловых явлений следует назвать Р.Фурье, который вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Леонарда Сади Карно, исследовавшего работоспособность тепловых машин, Клапейрона, который вывел уравнение состояния газа, впоследствии обобщенное Менделеевым в известное уравнение Клапейрона-Менделеева, и др.
Подлинным основателем механической теории теплоты считается немецкий физик Рудольф Эмануэль (1822-1888), вошедший в историю науки под латинским псевдонимом Клаузиус. В середине 19 в. он начал исследовать принцип эквивалентности теплоты и работы и введя понятие внутренней энергии , пришел к пониманию взаимопревращения энергии . До этого в физике существовало понятие механической энергии и представление об ее сохранении и превращении.
2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы А = F • x и энергии, как способности совершать работу.
Как известно, сообщить телу кинетическую энергию можно двумя способами:
а) передать при столкновении (например, удар шаров)
б) “подталкивая” с помощью некоторой силы F
Работа и энергия, как составные части, входят в один и тот же закон сохранения. Действительно, тело, двигаясь, сжимает пружину, и, растратив свою энергию на сжатие пружины, останавливается, вслед за этим пружина начинает распрямление, ускоряя тело, вся совершаемая при этом работа уходит на увеличение кинетической энергии тела. Что же в результате имеет система “пружина-тело”, когда движение прекратилось, а вся кинетическая энергия затрачена на сжатие пружины? Запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которым обладает пружина в сжатом состоянии (“мертвой силы ”, как ее первоначально называли). Такая форма энергии называется потенциальной. Другой способ запасти такую энергию - поднять груз на высоту.
Таким образом, термин “потенциальная энергия ” относят к энергии запасенной в деформированном теле, в теле, поднятом на высоту, одним словом, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого поля . (Современной физике известно четыре типа полей, соответствующим четырем взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое). Таким образом, понятие потенциальной энергии применимо не только к механическим явлениям.
Изменение потенциальной энергии определяется конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным, слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях.
Консервативные и диссипативные силы. Силы, величина которых зависит от взаимного расположения, или конфигурации тел и не зависят от движения, называются консервативными. Это – силы, проявляющиеся в потенциальных полях. (По определению потенциальные поля – это поля, работа сил которых не зависит от траектории движения). Гравитационное и электростатическое поля, как известно, являются потенциальными.
Рассмотрим примеры обусловленности потенциальной энергии конкретными видами взаимодействия системы тел. Так, потенциальная энергия сжатой пружины выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Однако, механика не занимается изучением “внутренних сил”, связанных взаимодействием атомов и молекул, а интересуется конечным результатом. Этот результат может быть вычислен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы изменить конфигурацию частей пружины. Запас этой работы и понимается как потенциальная энергия пружины. Потенциальная энергия – свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе.
Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии.
В ряде случаев работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Эти случаи и послужили основанием для формулирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам.
Вспомним формулировку закона:
Полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной.
Важно помнить также, что физический закон имеет границы своей применимости. В данном случае мы имеем два ограничения:
1) система должна быть изолированной от внешних воздействий (замкнутость системы);
2) система должна быть консервативной, т.е. в ней должны быть только консервативные силы.
В случае, если работа сил зависит от формы пути или же сами силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые не являются консервативными (зависят от скорости), происходит уменьшение, «рассеяние» энергии, или, что то же самое, ее диссипация [1] .
Мы знаем, что силы трения присутствуют практически всегда, и в действительности мы не имеем дела со строго консервативными системами. Однако закон сохранения механической энергии имеет огромное значение, поскольку, во-первых , существует множество явлений, которые допускает подобную идеализацию, например, при малых ∆t, когда трением можно пренебречь; во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сделать следующий шаг и выяснить, куда же растрачивается механическая энергия
3. Теплородная и кинетическая теория теплоты
До середины 19-го в. понятия «теплоты» и «температуры» не разделялись. Так, в словаре церковно-славянского русского языка, середина 19 в. можно прочитать следующее: «Температура есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром ». и «Теплород – вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во все тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая ». Само слово теплород в русском языке является переводом-«калькой» латинского слова «калория».
Серьезный (но не окончательный) удар теории теплорода был нанесен опытами графа Б. Румфорда (Бенджамин Томпсон)
А. Эйнштейн и Л. Инфельд писали: «В истории физики часто встречаются такие испытания, которые способны произвести приговор о жизни или смерти теории: они называются crucis (решающими) экспериментами... Такой решающий эксперимент был проведен Румфордом; он нанес смертельный удар субстанциальной теории теплоты» [2] . Исследования Румфорда касались вопроса об эквиваленте теплоты и механической работы.
Опыты Румфорда . Румфорд проводил опыты с трением. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы «выжимают» из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться.
В своей известной работе «Исследование источника тепла, вызываемого трением» (1798 г.) Румфорд привел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г. металлической стружки. Далее было показано, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость как исходный материал отливки, т.е. о никакой «выжимке» не могло быть речи, и теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. «... источник теплоты, порожденный трением, - писал Б. Румфорд, - оказался в этих экспериментах неисчерпаемым». Следовательно, нечто, которое любое изолированное тело или система тел может поставлять без ограничения не может быть материальной субстанцией.
Тем не менее, несмотря на опыты Румфорда теплородная теория не была изжита. Для окончательной победы кинетической теории потребовались исследования обратных процессов – превращения теплоты в работу. Такими исследованиями стали работы по исследованию функционирования тепловых машин, получивших к началу 19 в. широкое распространение. К этому времени встала задача о повышении их эффективности, для чего был необходим теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу. Это и сделал Сади Карно в 1827 г. Тогда было уже совершенно ясно, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую . Для торжества кинетической теории важно было установить механический эквивалент теплоты.
Количественное соотношение для превращения «механическая работа ® теплота» было определено немецким врачом Робертом Майером. Он установил, что теплоемкости газа в процессах при постоянном давлении (Ср ) и при постоянном объеме (Сv ) неодинаковы, причем Ср >Сv . Действительно, при р=const изменение объема V газа сопровождается толканием поршня, т.е. совершением работы. Если рассматривать теплоту как “силу”, рассуждал Майер (а под “силой” он понимал то, что впоследствии стало называться энергией), то понятно, почему Ср >Сv . Причем если найти DС = Ср - Сv и сопоставить с работой А , можно получить механический эквивалент теплоты.
Достаточно точно значение механического эквивалента теплоты было определено Джоулем. Джоуль поставил опыт, в котором опускающийся груз вращал лопатку, помещенную в различные жидкости. Перемешивание жидкости приводило к ее нагреванию. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимым для нагревания жидкости на определенную температуру, Джоуль определил значение механического эквивалента теплоты.
4. Термодинамика и статистическая физика
Термодинамика. Работы Майера, Джоуля, Гельмгольца позволили выработать так называемый. “закон сохранения сил” ( понятия «сила» и «энергия» в то время еще строго не различались). Однако первая ясная формулировка этого закона была получена физиками Р. Клаузиусом и У. Томсоном (лордом Кельвином) на основе анализа исследования работы тепловой машины, которое провел С. Карно. Рассматривая превращения теплоты и работы макроскопических системах С. Карно фактически положил начало новой науке, которую Томсон впоследствии назвал термодинамикой . Термодинамика ограничивается изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество.
Термодинамика, таким образом, рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика ) и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика ). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ) , которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.
Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:
1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;
2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода);
Молекулярно-кинетическая теория. В отличие от термодинамики молекулярно-кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макроскопических проявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод , интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда второе название молекулярно-кинетической теории – статистическая физика .
Первое начало термодинамики. Опираясь на работы Джоуля и Майера, Клаузнус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в первое начало термодинамики. Он сделал вывод, что всякое тело имеет внутреннюю энергию U . Клаузиус назвал ее теплом, содержащимся в теле, в отличие от “тепла Q , сообщенного телу”. Внутреннюю энергию можно увеличить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу -А , или сообщая ему количество теплоты Q .
D U = Q - A
В 1860 г. У. Томсон окончательно заменив устаревший термин “сила” термином “энергия”, записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке:
Количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы (рис.1).
Q = D U + A
Для бесконечно малых изменений имеем
dQ =d U + d A
Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает баланс энергии и работы. Его роль можно сравнить с ролью своеобразного «бухгалтера» при взаимопревращения различных видов энергии друг в друга.
Если процесс циклический, система возвращается в исходное состояние и U1 = U2 , a dU = 0 . В этом случае все подведенное тепло идет на совершение внешней работы. Если при этом и Q = 0 , то и А = 0 , т.е. невозможен процесс, единственным результатом которого является производство работы без каких-либо изменений в других телах, т.е. работа «вечного двигателя» (perpetuum mobile) .
Майер в своей работе составил таблицу всех рассмотренных им “сил” (энергий) природы и привел 25 случаев их превращений (тепло ® механическая работа ® электричество, химическая «сила» вещества ® теплота, электричество). Майер распространил положение о сохранении и превращении энергии и на живые организмы (поглощение пищи ® химические процессы ® тепловые и механические эффекты).
Эти примеры впоследствии были подкреплены работами Гесса (1840 г.), в которых исследовалось превращение химической энергии в теплоту, а также Фарадея, Ленца и Джоуля, в результате которых был сформулирован закон Джоуля-Ленца (1845) о связи электрической и тепловой энергии Q = J2 Rt .
Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип заключается в следующем:
Существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует.
Контрольные вопросы
1. Почему исследование тепловых явлений и фазовых переходов выявило несостоятельность лапласовского детерминизма?
2. Что такое микропараметры, макропараметры при исследовании тепловых явлений?
3. С чем было связано изучение тепловых явлений и когда оно началось?
4. Назовите ученых, чьи труды легли в основу физики тепловых явлений.
5. Что такое консервативные силы? Диссипативные силы? Приведите примеры.
6. Для каких систем справедлив закон сохранения механической энергии?
7. Что такое потенциальная энергия? Только ли к механическим системам применимо понятие потенциальной энергии? Поясните.
8. Объясните кратко теорию теплорода.
9. Какие опыты, опровергающие теорию теплорода, были проведены Румфордом?
10. Почему теплоемкости газа в процессах при постоянном давлении (Ср
) и при постоянном объеме (Сv
) неодинаковы? Кто из ученых впервые обнаружил этот факт?
11. Что такое термодинамика? Что она изучает?
12. Что изучает молекулярно-кинетическая теория?
13. Что такое статистическая физика? Откуда такое название?
14. Сформулируйте первое начало термодинамики.
15. С чем (кем) можно образно сравнить первое начало термодинамики?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 1998.
2. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
3. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999.
Лекция 7. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики
| 1. Идеальный цикл Карно и сущность II начала термодинамики Контрольные вопросы |
Второе начало термодинамики играет важнейшую роль в понимании процессов и явлений природы.
Впервые II Начало было, фактически, сформулировано пусть в несовершенной форме, еще в начале 19-го века и в этом виде понятно любому человеку, поскольку он сталкивается с ним в своем повседневном опыте.
Так, в 1811 г. Жан-Батист Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления (т.е. через единицу длины), прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.
где q – поток тепла в направлении х на единицу длины за единицу времени, j(x,y,t) – распределение температуры.
При этом количество теплоты переносится от участков с большей температурой в направлении участков с меньшей температурой и никогда наоборот .. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым.
Фактически, закон теплопроводности уже выходил за рамки классической ньютоновской механики по той причине, что описывал необратимый процесс, а все законы ньютоновской механики являются обратимыми, инвариантными относительно направления времени. Так в науку вошло понятие необратимости, дальнейшее развитие которого связано с работой С. Карно по исследованию действия паровых машин.
1. Идеальный цикл Карно.
С. Карно, наблюдая за действием паровой машины, обратил внимание, что используемый для перемещения цилиндра пар затем выпускается в среду с меньшей температурой, где он превращается в воду (т.н. конденсат) и далее не используется. Карно задумался о возможности использования отработанного конденсата в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совершит работу над поршнем. Таким образом, вода пройдет полный цикл. Однако такой непрерывный циклический процесс возможен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и холодильника при Т2 .
Рассмотрим схематично идеальный цикл Карно. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Изотермический процесс. Пусть газ, находящийся над поршнем в цилиндре, находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянной температуру газа. Этот процесс соответствует закону Бойля-Мариотта PV=const. (на рисунке – переход из точки 1 в точку 2). Заметим, что если опять, медленно возвращая поршень в исходной положение, сжимать газ, система из точки 2 вернется в точку 1, так как изотермический процесс обратим [1].
Адиабатический процесс. Как известно, это процесс без теплообмена с окружающей средой, т.е. процесс в некотором идеально теплоизолированном сосуде. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема.
Уравнение адиабатического процесса PV g = const , где g = cp /cv .
Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координатах PV криволинейный четырехугольник (см. рис. 1а). Адиабаты круче изотерм – они образуют боковые линии. Схемы соответствующих процессов приведены на рис. 1б.
Процесс (1)-(2) : от нагретого тела с температурой Т1 тепло подводится (при постоянной температуре) к газу, который расширяется при постоянной температуре.
Процесс (2)-(3): газ расширяется в условиях полной теплоизоляции сосуда от окружающей среды.
Процесс (3)-(4): тепло отнимается при изотермическом процессе и отдается холодному телу с температурой Т2 .
Процесс (4)-(1) , замыкающий цикл соответствует адиабатическому сжатию.
Пусть в процессе (1)-(2) газ получает от холодильника теплоту Q1 , а холодильнику отдает теплоту Q2 . Тогда за весь цикл он получит теплоту Q1 – Q2 , равную совершенной работе А .
Тогда КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно:
КПД = A1 /Q1 = (Q1 – Q2 )/Q1 . (1)
Можно показать, что Q1 /Q2 = T1 /T2 (для случая идеального газа).
Соотношение полученного тепла к отданному теплу равно отношению абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Тогда КПД = (Q1 – Q2 )/Q1 = 1 – Q2 /Q1 = 1 – T2 /T1 = (T1 – T2 )/T1 . (2)
Получается, что в случае цикла Карно КПД при превращении тепла в работу зависит только от температуры нагревателя и холодильника (таким образом, процесс не зависит ни от количества используемого газа, ни от начальных значений давления или объема).
Вспомним, что площадь, ограниченная криволинейным четырехугоугольником, изображающим идеальный цикл Карно, равна полной работе, совершаемой газом, а площадь под кривыми (1)-(4) и (4)-(3) - работе, совершенной над газом , т.е. затраченной .
Сущность второго начала термодинамики. Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. Такая машина, по сути, была бы аналогична perpetuum mobile (вечному двигателю), так как могла бы производить работу за счет практически неисчерпаемых источников энергии, содержащихся в воде морей, океанов, атмосфере и недрах Земли. Такую машину У. Оствальд (1853-1932) назвал perpetuum mobile II рода ( в отличие от perpetuum mobile I рода – вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, опираясь на многочисленные опытные факты и утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.
Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты – уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Это положение Клаузиус и предложил назвать «Вторым началом механической теории теплоты». Если Первое начало термодинамики утверждает закон сохранения энергии, ее баланс, то Второе начало определяет направления превращения энергии, и если в предыдущей лекции Первому началу была сопоставлена роль «бухгалтера», то Второе начало выступает скорее как «диспетчер», определяющий направление энергетических потоков.
2. Энтропия. Термодинамическая трактовка.
Итак, для идеальной машины Карно из формулы (2) следует
Q1 /T1 = Q2 /T2 или Q1 /T1 - Q2 /T2 = 0 .
Для того, чтобы учесть, что Q2 отдается холодильнику, берем его со знаком “ - “. Тогда имеем:
Q1 /T1 + Q2 /T2 = 0
Далее будем писать DQ вместо Q , подчеркивая, что речь идет о некоторой порции DQ1 , полученной рабочим телом от нагревателя и порции DQ2 , потерянной им в холодильнике.
DQ1 /Т1 + DQ2 /Т2 = 0
Как видим, эта запись напоминает закон сохранения, но при этом появляется некоторая “интересная” величина DQ /Т .
Так в физике появилось новое понятие «энтропия» (<entropia греч. поворот, превращение). Ввел его в 1865 г. Клаузиус. Он предположил, что есть некоторая величина S , которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество DQ , то S возрастает на величину DS = DQ /Т .
Ранее говорилось о том, что раньше не делалось различий между понятиями теплота и температура.
После введения понятия энтропии стало ясно, где пролегает эта граница . Дело в том, что нельзя говорить о том, что в теле заключено какое-то количество теплоты. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она (теплота) не является сохраняющейся величиной . Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии . А вот энтропия в обратимых процессах (в частности в идеальном цикле Карно) сохраняется. Энтропия, таким образом, характеризует состояние системы.
Можно провести некоторую аналогию с потенциальной энергией. Действительно, так же как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия, так и каждому состоянию термодинамической системы отвечает своя энтропия.
Как работа в поле тяжести (потенциальном поле) не зависит от вида пути, а зависит только от изменения потенциальной энергии, так и энтропия не зависит от вида процесса и определяется исключительно изменением состояния системы как конечным результатом процесса.
Все это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы , т.к. изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.
Итак, для обратимых процессов имеем DS=сonst. , т.е. энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.
Заметим, что для осуществления необратимого процесса необходимо добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле совершение любой полезной работы потребует практически бесконечно большого времени. Чтобы получить работу за короткие, т.е. приемлемые промежутки времени (хорошую мощность), приходится «уходить» от идеального цикла. Это приведет к неодинаковости температуры на разных участках цикла, к перетеканию тепла от более горячих участков к менее горячим и, следовательно, к возрастанию энтропии DS>0 .
Понятие энтропии позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает, является отражением того, что в природе существуют процессы, протекающие только в одном направлении - в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим.
1. Теперь мы можем полностью определиться с формулировками II Начала термодинамики. Существует ряд его формулировок:
2. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому.
3. КПД любой тепловой машины всегда <100%, т.е. невозможен вечный двигатель (perpetuum mobile) II рода (т.к. невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя.
4. Энтропия изолированной системы не убывает (т.е. при протекании обратимых процессов энтропия постоянна, а при необратимых процессах она возрастает). Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.
Все, что выше говорилось об энтропии связано с ее т.н. термодинамической трактовкой, т.е. объяснения с позиций термодинамики. Все, за исключением самой последней формулировки, касающейся равновесного состояния. Последняя связана также с таким понятием как вероятность. Рассмотрим эту связь подробнее.
3. Энтропия. Вероятностная трактовка.
Макроскопическое и микроскопическое описание объектов природы. Различные объекты и явления природы (системы) могут быть описаны как на микро-, так и на макроуровне, на основе их микросостояния или макросостояния. Сами понятия микро- и макро- отражают в какой-то степени наши представления о размерах объектов природы.
Макросостояние. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами – давления, температуры, объемом и другими макроскопическими величинами, характеризующими систему в целом), называют макросостоянием.
Микросостояние. Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что заданы состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.
Термодинамика, как уже говорилось, рассматривает тепловые процессы в системах на макроскопическом уровне, оперируя макропараметрами: температура, теплота, давление, объем. Статистическая физика, или молекулярно-кинетическая теория рассматривает тепловые явления на микроуровне – с точки зрения движения молекул – их скорости, кинетической энергии. Термодинамика, опираясь на понятие энтропии, четко различает обратимые и необратимые процессы. Способна ли не это статистическая физика? Другими словами, существует ли для микросостояния понятие аналогичное энтропии? Утвердительно ответить на этот вопрос позволили работы великого австрийского физика Людвига Больцмана , в которых отличие обратимых процессов от необратимых было сведено с макроскопического уровня на микроскопический.
Выделив некоторую молекулу в сосуде с теплоизолированными стенками и наблюдая за ней, мы убедимся, что она может занимать любой положение в сосуде. Если же мысленно разделить объем на две половины. В этом случае молекула, беспорядочно блуждая, сталкиваясь с другими молекулами, пробудет в одной половинке сосуда ровно половину времени, в течение которого мы ее наблюдаем. В этом случае говорят, что вероятность ее пребывания в одной из половинок сосуда равна ½. Вероятность может принимать значения от 0 до 1. Если же мы будет наблюдать уже за двумя мечеными молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной половинке сосудаю, равна 1/2×1/2=1/4. Аналогично, для трех молекул эта вероятность (обозначим ее W) равна (1/2)3 , а для N молекул W=(1/2)N . Т.е. вероятность стремительно падает. Таким образом, такое событие является маловероятным. Это понятно нам и на основе нашего жизненного опыта. Странно было бы, если бы все молекулы воздуха вдруг собрались бы в одной половине комнаты, а в другой образовалось безвоздушное пространство. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме сосуда максимальна и равна 1. Вероятность определенного состояния системы связана с ее статистическим весом. Статистический вес - это число способов, которыми это состояние сожет быть реализовано. Когда все молекулы равномерно распределены по объему сосуда статистический вес также является максимальным.
Пусть в некоторый момент времени удалось загнать все молекулы в правую верхнюю часть сосуда, отделенную диафрагмой. Остальные ¾ этого объема остались пустыми. После того как мы уберем диафрагму молекулы равномерно заполнят весь объем сосуда, т.е. перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Таким образом, мы и здесь можем сказать, что процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда) . Последнее состояние можно назвать состоянием равновесия. Все это наводит на мысль, что должна существовать связь между вероятностью и энтропией.
Если мы рассмотрим две подсистемы какой либо системы, каждая из которых характеризуется своим статистическим весом W1 и W2 , то полный статистический вес системы равен произведению статистических весов подсистем:
W = W1 ×W2 ,
а энтропия системы S равна сумме энтропии подсистем S = S1 + S2 .
Это наталкивает на мысль, что связь статистического веса и энтропии должна выражаться через логарифм:
Ln W = Ln (W1× W2 ) = Ln W1 + Ln W2 = S1 + S2 .
Собственно, это и сделал Больцман, связав понятие энтропии S c Ln W . Уже позднее, в 1906 г. Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы:
S = k Ln W .
Эта формула выгравирована на памятнике Больцману на венском кладбище.
Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван им постоянной Больцмана.
Контрольные вопросы
1. Кто из ученых сформулировал закон теплопроводности? Почему закон теплопроводности выходил за рамки классической ньютоновской механики?
2. Что такое идеальный цикл Карно? Из каких процессов он состоит?
3. Что такое адиабатический процесс? Запишите его уравнение.
4. Запишите выражение для КПД теплового двигателя КПД для цикла Карно при превращении тепла в работу.
5. Как зависит КПД теплового двигателя в цикле Карно от количества используемого газа, от начальных значений давления или объема?
6. Что такое вечный двигатель I рода?
7. Что такое вечный двигатель II рода?
8. Как называется величина DQ /Т
? Кто ввел эту величину?
9. Что характеризует теплота?
10. Что характеризует энтропия?
11. Что произойдет с энтропией, если подвести к газу некоторое количество теплоты DQ
?
12. Почему понятие энтропии позволяет определить направление процессов в природе?
13. Как зависит энтропия от вида процесса, происходящего в системе?
14. Как может изменяться энтропия изолированной системы?
15. Приведите формулировки II начала термодинамики.
16. Что такое микросостояние тела (системы)?
17. Что такое макросостояние?
18. На каком уровне - микро- или макро- рассматривает тепловые явления статистическая физика, или молекулярно-кинетическая теория?
19. На каком уровне - микро- или макро- рассматривает тепловые явления термодинамика?
20. Кем была рассмотрена необратимость процессов на микроскопическом уровне?
21. Что такое статистический вес системы?
22. Как интерпретируется понятие энтропии на микроскопическом уровне?
Литература
1. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 1998.
3. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999.
[1] Процесс 1-2 называется обратимым, если можно совершить обратный процесс 2-1 через все промежуточные состояния так, чтобы после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не произошло каких-либо изменений. Идеальный цикл Карно является обратимым, однако все реальные процессы необратимы из-за наличия диссипативных сил. Примеры: расширение газа в пустоту, диффузия, теплообмен и т.д. Для возвращения системы в начальное состояние необходимо совершение работы внешними телами.
Лекция 8. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени
| 1. Вероятность как атрибут больших систем Контрольные вопросы |
1. Вероятность как атрибут больших систем.
Идея о вероятностном поведении молекул означала новый подход к описанию систем, состоящих из огромного числа частиц (большие системы). Пример с мечеными молекулами в действительности неосуществим, т.к. в принципе невозможно проследить в течение незначительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Так же невозможно точно определить координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени.
Задача в этом случае, согласно подходу Максвелла и Больцмана ставится иначе: найти вероятность того, что данная молекула обладает каким-либо определенным значением скорости.
Следует заметить, что до Больцмана Максвелл ввел для описания случайного поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Поскольку молекулы в газе непрерывно сталкиваются друг с другом и со стенками, некоторые из них будут двигаться очень медленно, а другие - очень быстро. Распределение молекул по скоростям показано на рис.1. (Аналогичный вид имеет распределение молекул по энергии). Как видим, эти распределения несимметричны относительно средних значений скорости (и энергии).
В 1878 г. Больцман, как уже ранее говорилось, применил понятие вероятности ко второму началу термодинамики. В результате ему удалось показать, что второй закон (начало) термодинамики является, кроме прочего, следствием статистических законов поведения большой совокупности частиц.
Здесь необходимо отметить существенное противоречие между термодинамикой, возникшей в рамках механической картины мира и собственно классической механикой.
Дело в том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми . Другими словами, в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное «нужное» состояние. Другими словами, интегрирование дифференциальных уравнений движения сводится к вычислению траекторий движения частицы, которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем. Достаточно задать начальные условия и уравнения движения тела, чтобы получить полное описание его движения для любого момента времени.
Здесь мы имеем, таким образом, полную обратимость процессов и их детерминированность (предопределенность). Согласно представлениям МКМ, Творец создал мир и привел его в движение. В дальнейшем этот Мир развивался по своим однозначно детерминированным законам. Как уже ранее говорилось, эта идея получила название «лапласовский детерминизм ». Крайним выражением лапласовского детерминизма явилась идея мирового дифференциального уравнения Лапласа, которое описывает движение всех тел Вселенной и дает возможность на основе настоящего описать ее прошлое и определить будущее.
С развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.
Различны с точки зрения лапласовского детерминизма и выводы о возможности управления большими системами. Согласно классической физике, отсутствие элементов вероятности, случайности обеспечивает возможность воздействия на систему, управления системой с совершенно однозначными последствиями.
Однако II начало термодинамики указывает на то, что вследствие необратимого и вероятностного характера протекающих процессов в термодинамических системах они не могут быть управляемы до конца . Известно весьма образное описание этого факта, данное И. Пригожиным и И. Стенгерс «необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, - состоянию, из которого система не выйдет «по доброй воле».
Еще раз следует подчеркнуть, вероятностное, статистическое поведение является атрибутом , т.е. неотъемлемым качеством больших систем. Важно помнить, что второе начало термодинамики и статистические закономерности утрачивают свою силу для систем с малым количеством объектов.
На это обстоятельство указывал Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики.
Понятия вероятности, случайности неотделимы от современного истолкования процессов не только в физических системах, но и, тем более, в системах более сложных, например, биологических. Мы знаем, что важным фактором эволюции является естественный отбор. Однако существуют и другие факторы. Один из них – случайность . Действительно, источниками изменчивости видов служат случайные генные или хромосомные мутации. Особенно важную роль играют случайные процессы в маленьких популяциях.
2. Стрела времени
Время – одно из самых загадочных понятий философии и естествознания. Это – одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Блаженный Августин, христианский теолог и церковный деятель (354-430) признавался: пока его никто не спрашивает о том, что такое время, он это понимает, но когда хочет ответить на такой вопрос, попадает в тупик. «Душа моя горит желанием проникнуть в эту необъяснимую для нее тайну» — говорил он.
Нам известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему.
Действительно, при описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли [4]. Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления (для микромира, на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует), биологии, геологии, гуманитарных наук. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени» .
Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличение расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте , иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени ».
| Вот что говорит о времени философ Владимир Порус в беседе с корреспондентом журнала «Знание-Сила» О.Балла: О.Б.: Мы знаем время физическое и историческое, психологическое и социальное, субъективное и объективное, измеряемое и переживаемое. Циклическое, линейное и ветвящееся. Равномерное и скачкообразное. Летящее и стоящее на месте. Пустое и насыщенное. Время математиков и философов, астрономов и поэтов, домохозяек и бездельников. Но что такое время для человека вообще? Как оно вообще возможно и почему мы можем о нем говорить? Что предшествует всем этим многообразным временам, что держит их вместе? В.П.: Мне иногда кажется, что самые глубокие вопросы о времени человек задает в детстве. Ребенку говорят: «Прошел час». Вопрос: час чего прошел? Как ответить? Капля воды, кусочек дерева, моток проволоки, килограмм крупы, я применяю некоторую меру к какому-то предмету, веществу, я могу измерить это. Но когда говорят «час времени», я не знаю, чтo я меряю. Впоследствии ребенок поймет, что мы сравниваем различные процессы и выбираем какой-то из них в качестве меры: колебания маятника, изменения звездного неба, частоту излучения, биение сердца… |
Существует и субъективное восприятие течения времени в результате психологических процессов, которые дают нам “психологическую шкалу времени”. Вопрос о психологическом времени сам по себе очень сложен. Для обычного — «природного» человека в первобытном, доцивилизованном племени время текло то быстро (например, ночью), то медленно (в минуты томительного ожидания) и сосредоточивалось в настоящем (по принципу «здесь и сейчас»). Прошлое при этом было вечным и, в то же время, одномоментным. Мы сохранили много пережитков субъективного восприятия времени. В частности, отмечая юбилейные даты, мы почти отождествляем их с первоначальным событием. У древних такое слияние было в порядке вещей. Известный психолог Эллиот Аронсон считает, что человеческая память является реконструирующей: мы не записываем прошлые события буквально, подобно магнитофону, а воссоздаем воспоминания из фрагментов, заполняя пробелы тем, что, по нашему мнению, должно было быть в тот момент. И эта реконструкция сильно зависит от внешнего мнения — человеку нетрудно внушить, что было в прошлом.
В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом,.термодинамические процессы определяют и «термодинамическую шкалу времени».
Итак, фактически мы имеем три «стрелы времени»:
· космологическую (расширение Вселенной);
· психологическую (субъективное восприятие, опыт);
· термодинамическую (рост энтропии).
Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.
Говоря о стреле времени, можно упомянуть и различные «экзотические гипотезы» о природе времени, например, гипотеза многомерного времени, выдвинутая физиком Л. Барашенковым.
3. Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.
Дальнейшее развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:
1. Энергия мира постоянна.
2. Энтропия мира стремится к максимуму.
Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.
Современное естествознание отвергает концепцию “тепловой смерти” применительно к Вселенной в целом. Дело в том,что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Для мира как целого состояния с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Правомочность этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной физической теории.
Флуктуации. Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Л. Больцман. Он так же считал Вселенную замкнутой изолированной системой, однако применил к ней понятия флуктуации.
Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы.
Больцман рассматривал видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой области допустимы флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной к хаосу и тепловой смерти.
Следует сказать, что Больцман находился под сильным влиянием теории Ч. Дарвина, называя XIX век веком Дарвина. В эволюционной теории роль флуктуаций так же велика. Ведь эволюция – это путь от случайных флуктуаций видов в сторону возрастания сложности, порядка. В то же время в физике, согласно второму началу – все наоборот, т.е. необратимость ведет к разрушению порядка. Больцман, таким образом, попытался снять это противоречие, создать теорию эволюции системы к равновесию.
Теория флуктуаций развивалась и после трагической смерти Л. Больцмана в 1906 г., в частности, в трудах Эйнштейна и Смолуховского.
В настоящее время проблема самоорганизации сложных систем рассматриваются в рамках нового междисциплинарного направления – синергетики.
Контрольные вопросы
1. Что такое большие системы в термодинамике?
2. Можно ли точно определить координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени?
3. Поясните статистический закон распределения молекул по скоростям.
4. Поясните утверждение о том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми.
5. Что говорят о возможности полного управления системами классическая механика и термодинамика?
6. Что, по словам И. Пригожина и И. Стенгерс описывает необратимое увеличение энтропии?
7. Для каких систем - больших или малых имеют смысл статистические законы?
8. Назовите главное свойство времени?
9. Поясните понятие «стрела времени»?
10. Что такое космологическая стрела времени?
11. Что такое термодинамическая стрела времени?
12. Что такое психологическая стрела времени?
13. Объясните понятие тепловой смерти Вселенной.
14. Что такое флуктуация?
15. В чем заключается флуктуационная гипотеза Больцмана?
Литература
1. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999.
4. Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т.1. - М.: Наука, 1986.
4. О человеческом времени. - «Знание-Сила», № , 2000 г.
Лекция 9. Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)
| 1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма Контрольные вопросы |
1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции (вспомните: два куска янтаря («электрон»), потертые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы…). Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.
Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.
18-й век, ознаменовавшийся становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18 в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для зарядов ).
В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.
В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу moe =9,1×10-31 ). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.
В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов.
Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.
Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:
, где e - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.
Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля.
Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле.
Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность 
. Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал j.
Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность 
. В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.
Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.
Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r) , а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT .
Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДСi = k×DФm /Dt , где DФm /Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».
Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.
Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).
2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла
Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах – сказал о нем А. Эйнштейн).
Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.
Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла.
Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.
Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)
Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.
| Уравнение |
Утверждение |
| div E ~ q |
Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона |
| div H = 0 |
Магнитные заряды не существуют |
|
|
Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток |
|
|
Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями |
Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.
Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».
Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц.» Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.
Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.
3. Электронная теория Лоренца.
Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.
В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.
Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.
1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ.
2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.
3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.
4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.
Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.
В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.
Контрольные вопросы
1. Назовите важнейшие законы электричества и магнетизма, положенные в основу ЭМКМ.
2. Дайте характеристику электростатическому полю.
3. В чем состоит суть открытия Эрстеда?
4. В чем отличие силовых линий электрического и магнитного полей?
5. Кто является создателем электродинамики?
6. Охарактеризуйте вклад М.Фарадея в создание ЭМКМ.
7. Раскройте сущность теории Максвелла. Каким утверждениям соответствуют уравнения Максвелла?
8. Какая новая физическая реальность была введена в научную картину мира в результате исследований Максвелла?
9. Какой подход к описанию мира характерен для ЭМКМ – корпускулярный или континуальный?
10. В чем заключается суть электронной теории Г. Лоренца?
11. Назовите основные положения электронной теории металлов.
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. М.: Изд.ИЭМПЭ, 1998.
2. Недельский Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. Учебное пособие /под общей ред. проф. Тулинова В.Ф. – М: Изд. МУПК, 1996.
10. Основные идеи общей теории относительности
| 1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира Контрольные вопросы |
1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.
Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными, т.е. инвариантными . В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются, т.е. являются вариантными. Инвариантность времени, массы, ускорения и силы при переходе от одной ИСО к другой и отражено в принципе относительности Галилея (механический принцип относительности).
Возникает вопрос: будут ли ИСО равноправны не только с точки зрения механики, но и с точки зрения физики в целом? Всегда ли верны представления классической механики и, в частности, преобразования Галилея?
Большой вклад в решение этого вопроса внесли исследования природы света и законов его распространения. В середине 19 в. были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме с =3×108
м/с
. Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчета? В результате опытов Майкельсона было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения оставалась такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света. Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется. Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что 
.
Кроме того, возник вопрос: не является ли эфир, среда в которой распространяется свет «самой лучшей», «абсолютной системой отсчета»? Были выдвинуты и проверены гипотезы абсолютно неподвижного эфира, полного и частичного увлечения эфира движущимися телами. Однако при этом возникли большие трудности не только в разработке и постановке экспериментов, но и в истолковании их результатов.
2. Постулаты и основные следствия СТО
Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Эйнштейн (1879-1955), разработавший в 1905 г. новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).
Основу СТО составляют два постулата (принципа):
1. Принцип относительности Эйнштейна. Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в ИСО протекают одинаково . Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).
2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант . (Следует заметить, что это противоречит закону сложения скоростей в механике.)
Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика .
Итак, согласно релятивистской механике переход от одной ИСО к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по другим. Ими стали преобразования Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.
1. Закон сложения скоростей:, где V0 – скорость подвижной системы координат К’ относительно неподвижной системы координат К ; Vx ’ – скорость материальной точки в системе К’ ; Vx – скорость материальной точки относительно системы К , с – скорость света в вакууме.
Если Vx ’ и V0 намного меньше с , то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Из этого закона следует также, что если скорость частицы относительно какой-либо инерциальной системы отсчета равна скорости света в вакууме, то она будет такой же относительно любой другой ИСО. Это означает, что если одна из скоростей равна с , то сумма скоростей тоже будет равна с . Более того, при Vx ’= c и V0 = c имеем
Таким образом, при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Это находится в соответствии со 2-м постулатом СТО.
2. Следствием СТО явилась и зависимость массы тела от его движения. Зависимость массы от скорости была обнаружена в конце 19 в. в опытах с быстрыми электронами. Тогда же была предложена эмпирическая формула для этой зависимости:
где m0 – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V (масса движения).
, Если m0 ¹ 0 , то частица не может двигаться со скоростью Vx >=c , т.к. это соответствовало бы бесконечно большой или мнимой массе, что абсурдно. Если же масса покоя частицы m0 = 0 (фотон, нейтрино), то ее скорость может быть только c . (Действительно, при V>c и V<c , m = 0 , что отрицает само существование частицы.)
3. Относительность промежутка времени:
,
где t0 – собственное время, т.е. промежуток времени по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t – промежуток времени по часам в неподвижной системе отсчета.
Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной системе отсчета, т.е. физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы! ). Разумеется, это становится заметно только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности, в опытах с мюонами.
Отсюда так называемый «парадокс близнецов», часто обыгрывающийся в научно-популярной или научно-фантастической литературе. Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле (неподвижная система отсчета), а другой улетает на ракете (движущаяся система отсчета), движущейся с субсветовой скоростью, то, возвратившись на Землю, он констатирует, что его брат-близнец стал намного старше его. На ракете промежуток времени, прожитый одним из близнецов, составил t0 , а для брата на Земле он оказался равным t , причем t > t0 .
4. Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = mc2 , подтвержденная данными современной физики.
3. Основные идеи общей теории относительности.
В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные , т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему:
· ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);
· распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).
Из ОТО был получен ряд важных выводов:
1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения. (Эйнштейн писал Планку: «Судьба оказала мне милость, позволив дожить до этого дня».)
3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников.
Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-26 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением ОТО.
Следует сказать, что ОТО произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной. Вокруг теории относительности развернулись широкие дискуссии, в которые включились люди разных специальностей, появилось множество научных и научно-популярных книг. Философские дискуссии, так или иначе связанные с идеями СТО и ОТО продолжаются и по сей день.
4. Основные понятия и принципы ЭМКМ
Главная исходная идея ЭМКМ – это естественнонаучный материализм, а ее ядро – теория электромагнитного поля. ЭМКМ базировалась на следующих идеях:
· Непрерывность материи (континуальность),
· Материальность электромагнитного поля,
· Неразрывность материи и движения,
· Связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.
Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.
Пространство и время. В первоначальной ЭМКМ абсолютное и пустое пространство (как в МКМ) было заполнено мировым эфиром. Электромагнитное поле представлялось как колебания эфира. С неподвижным эфиром пытались связать абсолютную систему отсчета, самую простую, самую лучшую. Создание СТО привело к отказу от эфира.
Из постулатов СТО следовала относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, выведенных для перехода от одной ИСО к другой, следовало, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум Минковского), являясь его проекциями. Свойства пространственно-временного континуума (метрика Мира, его геометрия) определяются распределением и движением материи.
Событие, происходящее с некоторой частицей, характеризуется местом, где оно произошло (т.е. совокупностью значений x, y, z ), и временем t, когда оно произошло. («Что? Где? Когда?»). В воображаемом четырехмерном пространстве, по осям которого откладываются пространственные координаты x, y, z и время t , событие можно изобразить точкой. Точка, изображающая событие в 4-мерном пространстве, называется мировой точкой . С течением времени мировая точка, соответствующая данной частице, перемещается в 4-мерном пространстве, описывая некоторую линию, которую называют мировой линией .
Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия. В рамках ЭМКМ А. Эйнштейном была предпринята попытка разработать единую теорию гравитационного и электромагнитного взаимодействия. После создания ОТО ученый до конца своей жизни работал над созданием единой теории поля – труд, непосильный для одного человека. (На сегодня создана теория поля, включающая три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. Включение в нее гравитационного взаимодействия до сих пор остается проблемой).
Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. (Какого-либо нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие.) Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc2 ). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.
Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих ее свойств – заряда, излучения, действия. Не удавалось объяснить соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере ЭМКМ и необходимости замены ее новой картиной мира.
Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая – квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.
Контрольные вопросы
1. Объясните понятие инвариантности.
2. Какие величины не являются инвариантными относительно выбора ИСО в преобразованиях Галилея? Какие величины не являются инвариантными?
3. Назовите основные постулаты СТО.
4. Что такое релятивистская механика?
5. Материальное тело движется со скоростью 60 м/с. Можно ли описать его движение в рамках механики Галилея-Ньютона или следует привлечь релятивистскую механику? Какими формулами следует пользоваться, если тело движется со скоростью 1,5×105
м/с? Ответ обоснуйте вычислениями.
6. Может ли частица с массой покоя, не равной нулю, двигаться со скоростью, равной скорости света?
7. Может ли частица, с массой покоя, равной нулю, двигаться со скоростью света?
8. Может ли частица, с массой покоя, равной нулю, двигаться со скоростью, меньшей скорости света?
9. При увеличении скорости тела его масса относительно неподвижной системы отсчета
а) возрастает
б) убывает.
10. Что такое парадокс близнецов? Объясните его с помощью формул Лоренца.
11. Назовите основные принципы ОТО.
12. Как ведет себя луч света в поле тяготения согласно ОТО? Что происходит с частотой световой волны?
13. Перечислите основные идеи ЭМКМ.
14. Какое свойство материи – континуальность или дискретность является главным в ЭМКМ?
15. Как связаны пространство и время в СТО? Что такое пространственно-временной континуум?
16. Объясните понятия «мировая точка», «мировая линия».
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Савельев И.В. Основы теоретической физики. Т.1. Механика. – М.: Наука
Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (КПКМ)
| 1. Формирование идеи квантования физических величин Контрольные вопросы |
В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это – четвертая (после механики, электродинамики и теории относительности) фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания.
В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).
1. Формирование идеи квантования физических величин
Определение : физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них.
Открытие электрона . В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±ne представляет собой форму квантования электрического заряда.
Тепловое излучение . Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн)равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы».
В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n , где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).
Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×n , где n = 1,2,3… - целые числа.
В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ.
В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.
Энергия фотона e = h×n = mc2 , импульс P = mc = hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса покоя фотона m0 = 0 (покоящийся фотон не существует), а скорость его равна скорости света. Масса движения фотона m = hn/c2 = P/c. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn = A + Ek (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.
2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.
В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля 
, где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка.
В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105 -106 раз).
При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).
По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.
Принцип дополнительности. Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки , охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.
Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта».
Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.
3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг. Он показал, что эти неопределенности (неточности) удовлетворяют следующим соотношениям:
DX×DPX ³h; DY×DPY ³h; DZ×DPZ ³h; DW×Dt³h.
Эти неравенства называются соотношениями неопределенностей Гейзенберга.
Таким образом, если мы знаем положение X импульс Р микрочастицы (например, электрона в атоме) с погрешностями DX и DPX , то эта погрешность не может быть меньше , чем h. Этот предел мал, поскольку мала сама h – постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы. Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.
Из соотношения неопределенностей видно, что с увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им уменьшаются. Например, для пылинки m=10-13 кг, координата которой получена с точностью до ее размеров, т.е. DX=10-6 м, получаем DVX =1,0×10-15 м/с. Эта неопределенность практически не будет сказываться ни при каких скоростях, с которыми может двигаться частица. Для макроскопических тел соотношение неопределенностей не будет вносить никаких ограничений в возможность применить для них понятия координаты и скорости одновременно. Дело в том, что постоянная Планка в этих случаях может рассматриваться пренебрежимо малой. Это приводит к тому, что квантовые свойства изучаемых объектов оказываются несущественными, а представления классической физики – полностью справедливыми. Аналогично при скоростях, намного меньших скорости света, выводы теории относительности совпадают с выводами классической механики.
Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики.
Это положение связано с так называемым принципом соответствия, имеющим важное философское и методологическое значение. Принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом:
Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий.
4. Основные понятия и принципы КПКМ
Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:
1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;
2) изменение методологии познания и отношения к физической реальности;
Пояснение: Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.
Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.
Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.
Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.
Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.
В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).
Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия. Рассмотрим кратко эти взаимодействия.
1. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 100 , радиус действия порядка 10-15 , время протекания t ~10-23 с. Частицы – переносчики - p-мезоны.
2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10-2 , радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10-20 с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (g-квант).
3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами b-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10-13 , t ~ 10-10 с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18 м. Частица – переносчик - векторный бозон.
4. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, в ремя также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные этапы формирования КПКМ
2. Что такое «ультрафиолетовая катастрофа»?
3. Какая гипотеза легла в основу квантовой физики?
4. В чем заключается общность современных воззрений на природу света и представлений Ньютона?
5. Чему равна масса покоя фотона?
6. Запишите основное уравнение фотоэффекта.
7. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
8. Напишите и объясните формулу де Бройля.
9. Объясните понятие «квантовый объект».
10. В чем заключается сущность принципа дополнительности в квантовой физике? Как общего принципа познания?
11. Кто автор принципа дополнительности?
12. Запишите соотношение неопределенностей. Объясните его.
13. Как зависят ограничения, накладываемые соотношением неопределенностей, от массы частицы?
14. Поясните утверждение: «классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики».
15. Охарактеризуйте понятия пространства и времени с позиций КПКМ.
16. Как следует понимать принцип причинности в рамках КПКМ?
17. Назовите типы взаимодействий. Чем характеризуются типы взаимодействий?
18. Какие взаимодействия следует учитывать при описании объектов и явлений микромира?
19. Какие взаимодействия следует учитывать при описании объектов и явлений макромира?
20. Какое взаимодействие является самым слабым?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
Лекция 12. Многообразие и единство мира
| 1. Структурные уровни материи Контрольные вопросы |
1. Структурные уровни материи
Характерной чертой материи является ее структура, поэтому одной из важнейших задач естествознания является исследование этой структуры.
В настоящее время принято, что наиболее естественным и наглядным признаком структуры материи являются характерный размер объекта на данном уровне и его масса. В соответствии с этими представлениями выделяются следующие уровни:
| Уровни |
Условные границы |
|
| Размер, м |
Масса, кг |
|
| Микромир |
r<=10-8 |
m <= 1010 |
| Макромир |
r ~ 10-8 - 107 |
m ~10-10 – 1020 |
| Мегамир |
r >107 |
m > 1020 |
Понятие «микромир» охватывает фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, начиная с элементарное единицей живого – клетки, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами . Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления образуют мегамир. Важно сознавать, что жестких границ между этими мирами нет, а речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения материи.
2. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий
Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число не должно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц – кварков .
Фундаментальные частицы. Оказалось, таким образом, что дать определение элементарной частицы не так просто. В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие – фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.
Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое целое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия. Принято делить их на два больших класса (см. рис.1).
Фермионы ( в честь Э. Ферми) составляют вещество, бозоны (в честь Шатьендраната Бозе) переносят взаимодействие. Кварки входят в состав адронов (<греч. сильный). Лептоны (<греч. легкий) могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными. Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.
Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие. Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.
Теория великого объединения. Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10-10 с после Большого Взрыва. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволяет предположить, что при энергии порядка 1015 ГэВ произойдет объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 1019 ГэВ к ним присоединится и гравитационное. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).
Проблема элементарных частиц связана с самыми основами естественно-научной картины мира, и изучается она в некотором отрыве от других областей физики. Здесь особенно интересно то, что ответы на многие вопросы, связанные с элементарными частицами ищутся в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, т.е. ядерного синтеза в первые мгновения после Большого Взрыва – гипотетического Начала Вселенной. Именно в этот период, как считается были порождены элементарные частицы. Дело еще и в том, что ускорителей, на которых можно было бы получить энергии, соответствующие энергиям объединения трех и четырех взаимодействий пока не предвидится, поэтому и обращаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. Таким образом, в последние 30 лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной как гигантского ускорителя частиц.
3. Атомное ядро
Под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов (обозначение p и n). Масса протона mP = 1,673×10-27 =1,836me , mn = 1,675×10-27 = 1835,5me . Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»). Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незаряженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов. Тогда число нейтронов в ядре определяется следующим образом: NP = A – Z , где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов). Для обозначения ядер применяется запись Z XA , где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.
Ядро в целом – устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра . Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи . Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие и имеют обменный характер . Ядерные силы обладают рядом свойств:
1. Ядерные силы являются короткодействующими (радиус действия порядка 10-15 м) На этих расстояниях они значительно превышают кулоновские силы отталкивания протонов. При значительном уменьшении расстояния притяжение нуклонов сменяется отталкиванием (см. рис.2).
2. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т.е. действуют как между заряженными, так и между нейтральными частицами.
3. Ядерные силы обладают свойствами насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.
4. Ядерные силы не являются центральными. Их величина зависит от ориентации спинов частиц.
4. Молекулы и реакционная способность веществ.
Молекула – наименьшая структурная единица химического соединения, обладающая его главными химическими свойствами. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов. Инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) находятся в одноатомной состоянии. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза). Такие молекулы называются макромолекулами.
Как известно, химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающих один тип молекулы от другого.
В молекуле выделяют два основных типа типа связей: ионную и ковалентную (см. рис. 3а и 3б), а также водородную.
При ионной связи один атом отдает другому один или несколько электронов, и так каждый атом становится обладателем стабильного числа электронов. (Например, у атома хлора для стабильности недостает одного электрона, а у атома натрия во внешней оболочке - только один электрон. Его принимает атом хлора, и тогда у натрия протонов становится больше, чем электронов. Атомы натрия и хлора, превратившись в положительно и отрицательно заряженные ионы, притягиваются друг к другу и образуют поваренную соль ).
При ковалентной связи двух атомов возникает обобществленная пара электронов, по одному от каждого атома (пример – молекула водорода). Оба атома притягивают эту пару электронов с одинаковой силой, и электроны (или электронное облако) находятся большее время между ними. Если ковалентная связь образуется между атомами разных элементов, то электронное облако оказывается смещенным, т.е. большее время находится ближе к более притягивающему атому. Такую связь называют полярной , или электрически несимметричной (в последнем случае одна приближается к ионной).
Водородная связь названа так из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом (например, кислорода или азота) так, что положительной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный водородный «край» притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом (опять же кислорода или азота). Эта связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи. Практически, можно сказать, что на ней держится мир живого.
Силы взаимодействия между атомами являются короткодействующими (радиус действия r ~10-9 м, размер атома ~ 10-10 м). Причем одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но они по-разному зависят от расстояния. Схема здесь та же, что и на рис. 2. При r = r0 – состояние устойчивого равновесия, на этом расстоянии и находятся атомы, образующие молекулу. если увеличить r - увеличиваются силы притяжения и возвращают систему в исходное состояние. При r < r0 силы отталкивания также возвращают систему в состояние устойчивого равновесия.
Энергия химических связей . Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы
ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива. Устойчивым считается состояние, в котором потенциальная энергия минимальна , поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия (см. рис.4). Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию – на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекратилось тепловое движение. Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые – притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия между атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия.
Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикальной оси до дна ямы, но и глубина ям. Действительно, для того, чтобы выбраться из ямы, нужна энергия, соответствующая глубине ямы. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц, или энергией ассоциации . Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энергией диссоциации . Она равна энергии ассоциации.
Насыщаемость молекул , т.е. способность присоединять атомы, определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью – свойством атомов (или группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов. Величина валентности определяется числом атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данного элемента.
Химические реакции и их направленность. Химические реакции – это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны (тогда и стрелки в уравнении реакции рисуют в обе стороны), т.е. являются обратимыми , другие только в одну, третьи – вообще не идут). Здесь важно представлять, от чего зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей. Ответ на этот вопрос дает термодинамика. Рассмотрим условия самопроизвольного развития химической реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение): 2Н2 О2 ® 2Н2 О + О2 , но обратной реакции не будет. Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии . В самом деле, энтропия растет, так как в малой молекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии F = E – TS . (Пример с камнем: когда он падает в поле сил тяготения, его потенциальная энергия уменьшается – обратно он самопроизвольно не поднимется). В химических реакциях обязателен и учет изменения энтропии, так как возможность реакции еще не означает, что она самопроизвольно пойдет.
Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микроуровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Использование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции протекания реакций.
Свободные радикалы
. В прошлом столетии только два типа частиц считали участвующими в химических реакциях: атомы и молекулы. В 1900 г. Мозес Гомберг (Украина) обнаружил третью – свободный радикал. Он выделил некоторое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно представляет из себя половину молекулы (обозначается точкой над символом, например, 
).
Подводя некоторый итог, можно сказать, что при химических превращениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные возможности, каталитические и кинетические закономерности.
Химическое равновесие и принцип Ле-Шателье. В общем случае, в химической системе имеют место как прямые, так и обратные реакции, причем большинство химических реакций не идут до конца. Здесь становится важным понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной системе при данных условиях установится динамическое равновесие . Вывести систему из равновесия можно, только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье (1850-1936): «если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия. Например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие» . Другая, современная формулировка этого принципа следующая:
Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия.
Ле Шателье применял этот закон в промышленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.
В настоящее время принцип Ле Шателье рассматривается как общий принцип стабильности, согласующий взаимосвязи между элементами Вселенной (Универсума), в своей расширенной трактовке он может быть распространен на живые системы, на социальные системы. Так, с появлением жизни возникает принцип отбора, основанный на стремлении живого сохранить свой гомеостаз, т.е. целостность и равновесие, как самого организма, так и популяции. Принцип Ле Шателье, таким образом, связан с глубокими основами мироздания.
5. Макроскопические тела. Фазовые переходы.
Все, конечно, помнят одно из простых, но весьма важных утверждений школьного курса физики, что вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Тепловое движение частиц (атомов и молекул) в каждом агрегатном состоянии имеет свои особенности.
В газах обычно расстояние между атомами и молекулами значительно больше размеров молекул. На таких расстояниях силы взаимодействия между частицами практически отсутствуют. Это приводит к тому, что газы легко сжимаются (нет сил отталкивания) и обладают свойством неограниченно расширяться (занимать полностью предоставленный им объем), что равносильно отсутствию сил притяжения. Газ, в котором можно не учитывать силы взаимодействия между частицами и собственный объем частиц, называется идеальным.
В твердом теле молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешиваются, т.е. результирующая сила равна нулю. Твердые тела можно разделить на аморфные и кристаллические. В аморфных телах физические свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) одинаковы во всех направлениях. В этом проявляется изотропность аморфных тел. Объясняется это тем, что атомы и молекулы в таких телах расположены беспорядочно. В кристаллических телах атомы и молекулы расположены в определенном порядке, поэтому физические свойства таких тел неодинаковы в различных направлениях, т.е. кристаллические тела анизотропны. Если через атомы кристалла мысленно провести линии, то получится решетка, называемая кристаллической.
Жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Как показали исследования их структуры, молекулы жидкости некоторое время (т.н. время оседлой жизни) колеблются около положений равновесия. Через некоторое время они перескакивают в новые положения равновесия и колеблются относительно них. Именно эти перескоки молекул и являются причиной текучести жидкости, т.е. ее способности принимать форму сосуда. Взаимное расположение соседних молекул в жидкости в определенной степени упорядочено, но на расстоянии 3..4d , где d – диаметр молекулы, этот порядок нарушается. Вот почему говорят, что в жидкостях существует ближний порядок. ( Порядок в кристаллических телах называют дальним).
Различие между жидким, твердым и газообразным состоянием можно объяснить и с энергетической точки зрения, воспользовавшись зависимостью потенциальной энергии взаимодействия молекул вещества от расстояния между ними (рис.5).
В состоянии r = r0 потенциальная энергия взаимодействия молекул минимальна.
Значения средней кинетической энергии теплового движения отложим от дна потенциальной ямы В. АВ – глубина потенциальной ямы.
Если средняя кинетическая энергия теплового движения Е1 << АВ, то частицы не могут ее преодолеть и будут совершать колебания около положения равновесия. Тело будет находиться в твердом состоянии.
Если Е ~ АВ, то молекулы будут совершать колебания с большой амплитудой и флуктуации энергии могут привести к выходу их за пределы данной потенциальной ямы и совершать колебания относительно новых положений равновесия. Это соответствует жидкому состоянию вещества.
Если Е>>АВ, то молекулы будут свободно выходить за пределы данной потенциальной ямы, почти не «ощущая» на себе ее влияния, т.е. связи с другими молекулами. Это соответствует газу.
Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазовыми переходами I рода. Из сказанного выше ясно, что как агрегатное состояние вещества, так и фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. При высокой температуре и низком давлении мы имеем газ, при низкой температуре и высоком давлении – твердое тело. Промежуточные условия соответствуют жидкому состоянию. Графически равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром, между жидкостью и твердым состоянием можно представить на диаграмме состояния вещества (рис.6).
Если на такой диаграмме построить для данного вещества кривые кипения, плавления и сублимации (испарения твердого вещества), то они пересекутся в одной точке М. В ней одновременно сходятся три фазы: жидкая, твердая, газообразная, поэтому эта точка называется тройной. Диаграмма состояния вещества позволяет предсказывать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях, что исключительно важно для практики.
Контрольные вопросы
1. Какие структурные уровни материи выделяются современным естествознанием? На основании каких признаков формируются эти уровни?
2. Объясните понятия «элементарная частица», «фундаментальная частица».
3. Объясните понятие «частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий».
4. Какие фундаментальные частицы формируют вещество?
5. Какие частицы относят к фундаментальным? Какие из частиц, входящих в состав атома (электрон, протон, нейтрон) относятся к фундаментальным?
6. Опишите строение атомного ядра.
7. Что представляют собой ядерные силы?
8. Что такое молекула, макромолекула?
9. Назовите типы связей в молекуле. Что такое водородная связь, чем она примечательна?
10. Как влияет потенциальная энергия молекулы и сумма энергий составляющих ее атомов на ее устойчивость?
11. Что такое свободные радикалы?
12. Как объяснить направление протекания химической реакции с точки зрения термодинамики?
13. Объясните суть принципа Ле-Шателье.
14. Объясните различие между газообразным, жидким и твердым состоянием вещества на основе молекулярно-кинетической теории.
15. Объясните различие между газообразным, жидким и твердым состоянием вещества с точки зрения термодинамики.
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
Лекция 13. Мегамир, основные космологические и космогонические представления (I)
| 1. Основные представления о мегамире 2. Солнечная система 3. Гипотезы о возникновении планетных систем Контрольные вопросы |
1. Основные представления о мегамире
Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10+7 м, масса 6×1021 кг. Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.
Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×1011 м.
Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×1015 м.
Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.
Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь (собственно, слово галактика происходит от греческого слова «галактос» – молочный, млечный).
Представить масштабы Вселенной можно с помощью рис. 1.
Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15…20 млрд. лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли – 4,5 млрд. лет.
2. Солнечная система
Девять планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Считается, что диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6×1016 м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.
Планеты Земной группы. Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на Венере – 243 дня). Ось вращения Венеры наклонена в другую сторону, и вращается Венера в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. У этих планет мало спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли – один, у Марса – два совсем небольших). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО2, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500О ). Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО2 , однако она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).
Поверхность планет Земной группы твердая, гористая, она хорошо изучена благодаря автоматическим станциям, пролетавшим вблизи планет или даже садившимся на поверхности Марса и Венеры. Следует отметить, что в Солнечной Системе лишь планеты Земной группы имеют твердую поверхность. Химический состав планет Земной группы приблизительно одинаков. Они, в основном, состоят из соединений кремния и железа. В небольшом количестве присутствуют и другие элементы.
Более или менее одинаково и строение планет земной группы. В центре планет есть железные ядра разной массы. У Меркурия, Земли, Марса часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Верхний слой мантии называется корой. У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряженности.
Земля движется по орбите со скоростью 30 км/ч. Ее орбита незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля делает полный оборот вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66О 34’’. Земля сплюснута у полюсов, таким образом, ее форма близка к эллипсоиду вращения.
Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом астероидов – малых планет. Самая крупная из них – Церера, была открыта первой, в начале 19 века. Сейчас зарегистрировано более 5500 малых планет. Все они движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, однако их орбиты вытянуты значительно сильнее.
Планеты-гиганты. Планеты-гиганты располагаются за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый легкий гигант – Уран – в 14,5 раза массивнее Земли. Их особенность – большие размеры и масса. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз больше земной. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая плотность у Сатурна: 0,7×103 кг/м3 (ср. у Земли – 5,5×103 кг/м3 ). В среднем плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.
У планет-гигантов нет твердой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние.
Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причем, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а самое медленное вращение присуще околополярным областям. Такое необычное вращение обусловлено тем, что, как уже было сказано выше, планеты-гиганты – это жидкие планеты. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 суток.
Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Ученые выяснили, что с увеличением массы гиганта растет и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение.
В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Газообразная атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем.
Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные поля планет земной группы. Интенсивность магнитного поля качественно определяется размерами магнитосферы планеты: пространства вокруг нее, в котором магнитное поле планеты сильнее солнечного. Влияние солнечного ветра – потока заряженных частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, – делает очертания магнитосфер несимметричными. Магнитные поля захватывают летящие от Солнца зараженные частицы высоких энергий, формируя мощные радиационные пояса и полярные сияния.
Планеты-гиганты окружены естественными спутниками Точное их число еще не известно. Из известных 68-ми спутников только три принадлежат планетам земной группы. У Сатурна открыто 18 спутников, у Урана – 21, у Юпитера – 17, у Нептуна – 8.
Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17 в.
Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых астероидами. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении. За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов. Орбита планеты Плутон, видимо, уже проходит внутри этого пояса.
Похожи на малые планеты и кометы, состоящие из смеси замерзших газов и пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы обладают малыми размерами и массами. Их орбиты могут быть самыми различными: иметь всевозможные эксцентриситеты, наклоны к плоскости эклиптики. Кометы могут двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении.
Солнце. Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в 332958 раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца, 5770 К.
История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г. Галилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определён период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном Г. Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й. Фраунгофер обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца.
С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, что привело к обнаружению короны [1] и хромосферы [2] Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году было доказано существование на Солнце магнитных полей. В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца. Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведётся методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту.
Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. Более 70 химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единое происхождения Солнца и планет солнечной системы. Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.
Солнечная активность. На фотосфере – видимой поверхности Солнца наблюдаются темные пятна. Причина их появления – сильные магнитные поля, которые замедляют движение горячих потоков от центра Солнца к его поверхности. Таким образом, темные пятна – это более холодные области на фотосфере. С появлением пятен связаны и другие явления: вспышки в хромосфере, сопровождающиеся различными излучениями (тепловым, ультрафиолетовым, рентгеновским и т.п.). Эти явления называются солнечной активностью . В годы максимумов солнечной активности мощность различных видов излучения возрастает в несколько раз. Показателем, или индексом солнечной активности служит число Вольфа , которое вычисляется по формуле
W=k*(f+10g) ,
где f - количество наблюдаемых пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент, выводимый для каждого наблюдателя и телескопа, чтобы иметь возможность совместно использовать найденные ими относительные числа Вольфа.
Количество пятен колеблется с периодом в 11 лет, т.е. солнечная активность имеет циклических характер.
3. Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
Вопросами происхождения планет Солнечной системы занимается космогония. Полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос наука не дает. Пока нет возможности проверить выводы современных теорий применительно к какой-либо другой планетной системы. Рассмотрим наиболее известные космогонические гипотезы.
Гипотеза Канта-Лапласа. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Формируясь из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежными силами. Интересно, что Кант изложил эти идеи в трактате, посвященном доказательству бытия Божия. По мнению Канта «Бог вложил в силы природы тайное искусство самостоятельно развиваться из хаоса в совершенное мироздание» . У Канта, таким образом, образование планет происходило из холодного газопылевого облака.
Идею Канта поддержал Лаплас, однако, согласно его гипотезе планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца [3] газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты.
Эта гипотеза получила название небулярной (от лат nebula – туманность) гипотезы Канта Лапласа. Поскольку формирование колец и планет происходило в условиях вращения туманности и действия центробежных сил, эта гипотеза называется еще и ротационной (лат. rotatio – вращение).
Момент количества движения Солнечной системы. Момент количества движения, или кинетический момент вычисляется для вращающихся тел. Он количественно характеризует это вращение. Тела могут вращаться как вокруг своей оси, так и вокруг другого тела. Для планет подходит второй случай. Так как размеры планет невелики в сравнении с радиусами их орбит, то их можно приближенно считать точечными. Тогда значение момента количества движения, присущего планете, вычисляется перемножением массы планеты, радиуса ее орбиты и скорости движения по ней (L=m. r. v).
Закон сохранения момента количества движения заключается в том, что никакие события внутри изолированной системы взаимодействующих вращающихся тел не приводят к изменению общего для системы момента количества движения. Чтобы не происходило в прошлом в Солнечной системе, эта физическая величина и миллиарды лет назад должна была быть такой же, как и сейчас.
Для Солнца, которое находится в центре Солнечной системы и вращается вокруг своей оси, момент количества движения вычисляется сложнее. Весь объем Солнца мысленно разбивается на бессчетное количество частиц и момент количества движения рассчитывается путем интегрирования. Важной характеристикой всей Солнечной системы является особенность этого распределения между планетами и Солнцем. На Солнце, в 750 раз превосходящее по массе все, что вокруг него вращается, приходится меньше 2% всего момента количества движения Солнечной системы.
Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет приблизительно в 29 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму газовых струй, из которых впоследствии образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.
Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Расчеты Шмидта, в частности, показали, что начальный период обращения Солнца был очень большим, а затем должен был уменьшиться до 20 суток. В действительности он равен 25 суткам, и такое совпадение считается хорошим.
В настоящее время ученые склоняются к различным вариантам небулярной гипотезы. Получены интересные результаты на численных моделях с использованием мощных ЭВМ. Для Земли, например, предложена следующая схема (см. рис. 2).
Ожидается, что новый свет на загадку образования Солнечной системы прольют дальнейшие исследования планет земной группы и планет-гигантов с помощью автоматических космических станций.
Контрольные вопросы
1. Назовите специальные единицы, использующиеся для оценки расстояний в мегамире.
2. Кратко опишите строение Солнечной системы.
3. Назовите особенности планет земной группы?
4. Назовите особенности планет-гигантов?
5. Дайте краткую характеристику Солнцу.
6. Что подразумевается под понятием «солнечная активность»?
7. Чему равен период солнечной активности?
8. Чем обусловлено появление солнечных пятен, что они представляют из себя?
9. Что такое число Вольфа, для чего оно используется?
Литература
1. Маров М.Я. Планеты солнечной системы. – М.: Наука, 1986.
2. Зигель Ф.Ю. Астрономическая мозаика. - М.: Наука, 1987.
3. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
4. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
[1]
Корона – самый обширный и разреженный слой атмосферы Солнца
[2]
Хромосфера – самый близкий к видимой поверхности Солнца – фотосфере, плотный и тонкий слой атмосферы Солнца
[3]
Протосолнце (<греч. prōtоs первый) – «первичное» солнце, звезда в начальной стадии развития.
Лекция 14. Мегамир. Основные космогонические представления (II)
| 1. Звезды, их характеристики, источники энергии Контрольные вопросы |
1. Звезды, их характеристики, источники энергии
Более 90% видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Однако процессы эволюции звезд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно. Начальной точкой в создании теории строения звезд и процессов, протекающих в них, можно считать 1926 год - год выхода в свет книги А. Эддингтона «Внутреннее строение звезд».
Астроном - наблюдатель видит абсолютное большинство звезд даже в самые сильные телескопы в виде точечных источников света. Пожалуй, лишь диск нашего солнца позволяет реально наблюдать процессы, происходящие на поверхности звезды. В отличие от планет, из-за огромных расстояний, атмосферных флуктуаций, т.е. нарушения однородности и спокойствия атмосферы и других причин нельзя увидеть звезды в виде «реальных» дисков. Получается «ложное» изображение звезды, угловые размеры которой редко бывают меньше одной секунды дуги, а должны быть меньше одной сотой доли секунды дуги. Поэтому звезда даже в самый большой телескоп не может быть полностью изучена. Можно измерять только потоки излучения от звезд в разных участках спектра.
Характеристики звезд. Основными характеристиками звезд являются:
· масса,
· радиус,
· абсолютная величина, характеризующая ее светимость,
· температура,
· спектральный класс.
Одна из основных характеристик звезды - светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до нее.
Очень важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.
В 1900 г. американский астроном Пикеринг ввел понятие спектрального класса звезды. Спектральные классы звезд обозначаются буквами латинского алфавита O, В, А, F, G, К, М (знающие английский могут их легко запомнить с помощью шутливой мнемонической фразы: “O , B e A F ine G irl, K iss M e” ). Позднее перед классом А был добавлен класс W , а в конце добавлены дополнительные классы R , N , S . Эта система оказалась недостаточно точной, и астрономы разделили каждый интервал в этой последовательности еще на 10 частей – подклассов (например: наше Солнце –это звезда класса G подкласса 2 ). Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Таким образом, Солнце, по сравнению с классами O, В, А, F имеет «небольшую» температуру, но в своем классе G – оно является довольно горячей звездой. По цвету звезды можно оценить ее температуру. Так, звезды красного цвета (М ) имеют температуру поверхности около 4000 К. Оранжевые звезды имеют более высокую температуру. Желтое солнце (G ) нагрето уже до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тыс. К видятся нам белыми и голубыми. Температуры звезд спектрального класса О достигают 40000 - 50000 К. Таким образом, спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру .
Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 Мс, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца.
Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. В 30-е годы 20-го века Герцшпрунг и Рессел обнаружили, что абсолютная величина звезды (светимость) и ее температура (спектр) определенным образом связаны между собой, т.е. если в системе координат «спектр – светимость» обозначать точками звезды с конкретными значениями этих величин, они будут ложиться на координатную плоскость в определенном порядке. Такое графическое представление зависимости абсолютной величины звезды или ее светимости от температуры или спектра получило название диаграммы Герцшпрунга-Рессела , или H – R –диаграммы (см. рис. 1).
Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция – термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка 1013 К). При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки и протоны (ядра водорода), благодаря так называемому туннельному эффекту , сталкивается с другим протоном, преодолевая силы кулоновского отталкивания – потенциальный энергетический барьер, окружающий его. При столкновении один из протонов превращается в нейтрон и, таким образом, рождается ядро тяжелого водорода – дейтерия с высвобождением позитрона е+ и нейтрино n:
Н1 + Н1 ® D2 + e+ + n.
Далее, ядро дейтерия, соединяясь с протоном, образует ядро легкого изотопа гелия и гамма квант g:
D2 + H1 ® He3 + g .
Окончательная реакция – слияние ядер легкого гелия и высвобождение двух протонов:
Не3 +Не3 ® Не4 + Н1 + Н1
2. Галактики и метагалактики
Понятие «галактика» в современном языке обозначает огромную звездную систему. Происходит оно от греческого слона «молоко, молочный» и было введено в обиход для обозначения нашей звездной системы. Она, как известно, видится нам как тянущаяся через все небо светлая полоса с молочным оттенком и названная поэтому «Млечный Путь». Именно в Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд нашей Галактики, вот почему часто говорят: наша Галактика — это Млечный Путь. Число звезд в ней - несколько сотен миллиардов, т.е. порядка триллиона (1012 ). Она имеет форму диска с утолщением в центре (см. рис. 2).
Диаметр самого диска, т.е. диаметр нашей Галактики равен приблизительно 1021 м, масса Галактики - ~ 1042 кг. Рукава Галактики имеют спиральную форму, т.е. расходятся по спиралям от ядра. В одном из рукавов на расстоянии около 3´1020 м от ядра находится Солнце, расположенное вблизи плоскости симметрии. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), есть двойные и кратные звезды и целые звездные скопления. движущиеся как единое целое (например, звездное скопление Плеяды). Их открыто в настоящее время более 1000. Шаровые скопления содержат красные и желтые звезды-гиганты и сверхгиганты. Кроме этого, в галактике есть туманности, состоящие в основном из газа и пыли. Межзвездное пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и разреженным межзвездным газом. Галактика вращается вокруг своего центра, причем угловая и линейная скорость с увеличением расстояния от центра изменяются. Линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 250 км/с, что практически соответствует максимальной линейной скорости звезд. Полный оборот по своей орбите Солнце делает примерно за 200 миллионов лет (2 • 108 лет). Этот период называется галактическим годом .
В начале 20-го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и другие, также состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. Одна из ближайших к нам галактик — Туманность Андромеды — находится от нас на расстоянии, примерно 2,5 • 1022 м, ее диаметр равен 1.3 диаметра Млечного Пути, а масса практически равна массе нашей Галактики. Но внешнему виду все галактики делятся на 3 основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные .
В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, т.е. звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядка 1025 – 1026 м. К настоящему времени их насчитывается более тысячи. Квазары излучают огромное количество энергии. Так, квазизвездный объект размером с Солнечную систему может излучать в 10 раз больше энергии, чем Млечный Путь - наша галактика. Но современным представлениям квазары - это активные ядра далеких галактик или сами эти галактики, которые мы видим "сбоку". Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями: они состоят из сотен и тысяч галактик.
Ближайшее к нам скопление галактик расположено в созвездии Девы и находится на расстоянии около 6´1023 м. Диаметр этого скопления более 1,8´1023 м. Современная внегалактическая астрономия позволяет говорить о сверхскоплениях галактик. К настоящему времени открыты десятки таких сверхскоплений. Все это свидетельствует о том, что Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от фундаментальных частиц до гигантских сверхскоплений галактик.
Эволюция галактик. Согласно современным представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения (собственной гравитации) оно сжималось. В ходе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Таким образом, подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму, образовав гало . Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.
В 1944 г. астроном Бааде предложил называть все звезды звездным населением. Самые старые звезды, образующие гало, составляют население I, а средние по возрасту и молодые звезды, расположенные в диске (спиральных рукавах) – население II. Это – звезды Главной последовательности. Из них звезды спектральных классов O и B – самые молодые и горячие, а классов G, K, M – карлики.
Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается . Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик.
Математически закон Хаббла записывается следующим образом:
V = H×r ,
где V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с×Мпк).
Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Следует заметить, что для близких и очень далеких галактик закон Хаббла неточен.
Отметим некоторые особенности расширения Метагалактики.
1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются (этому препятствуют силы тяготения). Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной, т.е. Метагалактики.
2. Не существует центра, от которого происходит расширение.
3. Постоянная Хаббла в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной, но зависит от времени (со временем убывает).
Время t = 1/Н , называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной.
Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, глобальный характер принципа эволюции.
3. Структура и геометрия Вселенной
Открытия конца 70-х годов 20-го в. показали, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ своего рода ячеек, т.е. Вселенная имеет ячеистую (сетчатую, пористую) структуру. Не пространственной моделью может служить кусок пемзы. В небольших масштабах вещество во Вселенной распределено неравномерно. В больших же масштабах она однородна и изотропна.
Космологические модели Вселенной. Модели Вселенной в разные времена были различными, но главная их особенность состояла в неизменности Мира в целом, т.е. это были стационарные модели. Основным доказательством этого была видимая неизменность звездного неба. Даже великий А. Эйнштейн, создавая в начале 20 в. общую теорию относительности, был уверен в стационарности Вселенной.
В 1922 г. молодой советский физик-теоретик Л.А. Фридман, анализируя космологические уравнения Л. Эйнштейна, пришел к выводу, что они допускают нестационарность Вселенной (расширение или сжатие). Согласно Фридману, существует два типа моделей: расширяющаяся и сжимающаяся Вселенная. Выбор их определяется величиной средней плотности материи во Вселенной относительно ее критического значения. По современным представлениям, rкр ~ 10-26 кг /м. Если средняя плотность материи во Вселенной r < rкр , то это соответствует расширяющейся (открытой) Вселенной. При r < rкр галактики будут сбегаться, что соответствует сжимающейся (закрытой) Вселенной. В настоящее время средняя плотность оценивается равной 10-28 кг /м, что означает, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Таким образом, Вселенная представляется не только безграничной, но и пространственно бесконечной . В случае r < rкр , т.е. в закрытой Вселенной расширение рано или поздно сменилось бы сжатием и галактики стали бы сбегаться. Вселенная в этом случае являлась бы безграничной, но пространственно конечной , подобно сфере.
Контрольные вопросы
1. Как можно визуально отличить на небосводе планету Солнечной системы от звезды?
2. Перечислите важнейшие характеристики звезд.
3. Что характеризует диаграмма Герцшпрунга-Рессела?
4. Что такое «главная последовательность»?
5. К какому спектральному классу относится Солнце?
6. Что такое галактика? Что означает это слово в переводе с греческого?
7. Какую форму имеет наша галактика?
8. На какие основные типы подразделяются галактики по внешнему виду?
9. Что такое квазары, где они расположены?
10. Что такое Метагалактика?
11. В каком созвездии можно увидеть ближайшую к нам галактику?
12. Поясните термин «красное смещение».
13. Что такое «эффект Доплера»?
14. Запишите и объясните закон Хаббла.
15. Можно ли говорить о том, что вещество во Вселенной распределено равномерно …
16. а) на уровне сверхскоплений галактик,
17. б) в масштабах всей Вселенной?
18. В чем состоит суть нестационарных моделей Вселенной?
19. Какая физическая величина определяет судьбу нестационарной Вселенной?
20. Кто является автором нестационарной модели Вселенной?
Литература
1. Дж. Мэрион. Физика и физический мир. - М.: Мир, 1975. – 623 с.
2. Шкловский И.С. Вселенная, Жизнь, Разум. М.: Наука, 1980. – 285 с.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 834 с.
4. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: ИМПЭ, 1998.
5. Зигель Ю.А. Астрономическая мозаика. - М.: Наука, 1987. – 173 с.
6. Волков А.В. Впишите в хронологии слово «вечность». - Знание-Сила, 2000г., №1.
7. Волков А.В. Время прощаться с квазарами. - Знание-Сила, 2002г., №4.
Лекция 15. Мегамир, основные космогонические представления (III)
| 1. Эволюция звезд Контрольные вопросы |
1. Эволюция звезд
Известно, что самым распространенным элементом во Вселенной является водород. Второй по распространенности элемент – гелий (по числу атомов – 10% от распространенности водорода, по массе – до 30%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах – основное их количество распределено в межзвездном и межгалактическом пространстве. Водород и гелий в межзвездном пространстве находятся, в основном, в атомарном состоянии и служат «исходным сырьем» для образования звезд.
Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя плотность вещества в нашей Галактике – примерно 1 атом на 1 см3 , но в отдельных областях эта плотность выше, т.е. наблюдаются флуктуации плотности, которые обусловлены хаотическим движением атомов в пространстве. Таким образом, плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. Если при этом количество вещества в данной области превосходит определенное критическое значение (приблизительно 1000 солнечных масс), то в этой области возникают сильные гравитационные поля, препятствующие разлету газо-пылевого облака – так называемой глобулы , стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров, заставляя вещество падать к её центру облака. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако. Имеются многочисленные данные, подтверждающие предположение, что звезды образуются при конденсации облаков межзвездной пыли и газа.
Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится зародышем будущей звезды - протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц переходит в тепло. В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. Дальнейшее сжатие протозвезды приводит к такому повышению температуры и давления, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Протозвезда «разгорается», становится настоящей звездой и «занимает свое место» на Главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. При этом силы тяготения, стремящиеся сжать вещество звезды, уравновешиваются силами внутреннего давления. Важную роль здесь играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, диаграммы Герцшпрунга-Рессела, а если масса мала, то звезда оказывается в нижней её части.
Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах.
Типичная звезда (подобная Солнцу) большую часть свой жизни медленно «перемещаясь» вдоль Главной последовательности, сжигая свой водород в термоядерной топке. Солнце, например, движется так уже 4,5 миллиарда лет, и будет оставаться на Главной последовательности еще примерно 5 миллиардов лет. Более массивные звезды эволюционируют намного быстрее.
Когда водород в центре звезды исчерпан, она сжимается, что приводит к увеличению температуры и началу другой термоядерной реакции – превращению гелия в углерод. При этом выделяется огромное количество энергии, и светимость звезды возрастает. Выделение энергии приводит к увеличению радиационного давления и, как следствие, к расширению внешних слоев звезды . В результате расширения вещество внешних слоев охлаждается, и излучение звезды становится все более красным , так что звезда резко смещается от главной последовательности. Расширение продолжается до тех пор, пока диаметр звезды не возрастет в 200-300 раз. Звезда при этом превращается в красного гиганта. Через пять с лишним миллиардов лет такая судьба ожидает Солнце. Вначале, все сильнее и сильнее разогреваясь, оно сожжет Землю, а затем, расширяясь, поглотит то, что от нее останется. Упрощенная диаграмма эволюции типичной звезды (эволюционный трек) приведен на рисунке 1.
По достижении стадии красного гиганта звезда эволюционирует дальше, и ее положение на диаграмме Герцшпрунга- Рессела сдвигается влево. Примерно через 1% времени жизни звезды она пересекает Главную последовательность. Солнце, например, совершит этот путь приблизительно за 100 млн. лет. В этот период у большинства звезд нарушается динамическое равновесие, и они начинают пульсировать. Это – так называемые цефеиды.
После стадии красного гиганта судьба звезды в значительной степени определяется ее массой М (см. схему на рисунке 2). Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного "топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,4 масс Солнца, постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остаётся маленький и горячий белый карлик. По образному выражению …белый карлик «вызревает» внутри красного гиганта. После того, как последние запасы белого карлика будут израсходованы, он быстро охлаждается, становясь красным, а затем черным карликом.
Новые и сверхновые звезды. Когда в звезде с М < 1,4 МС израсходуются остатки ядерного горючего она так же, как и «легкая» звезда начинает двигаться вниз на H-R диаграмме. При этом выделение энергии и светимость звезды уменьшаются, однако, прежде чем произойдет значительное охлаждение звезды, она может пройти стадию неустойчивости, на протяжении которой происходят извержения вещества звезды в пространство. При каждом таком извержении происходит резкое увеличение светимости. Такие звезды называются новыми. Наиболее мощные взрывы называются Сверхновыми звездами. В нашей галактике вспышки Сверхновых были зафиксированы в 1054, 1572, 1604 годах. Кроме этого, обнаружено около 10 туманностей – остатков от вспышек Сверхновых, наиболее известной из которых является Крабовидная туманность в созвездии Тельца. В телескопы наблюдались многочисленные сверхновые в других галактиках.
Нейтронные звезды. После взрыва сверхновой ее оболочка сбрасывается, и, распространяясь в разные стороны, образует туманность, в центре которой образуется весьма плотная нейтронная звезда. Вещество такой звезды состоит, в основном, из нейтронов. Эта «нейтронизация» вещества происходит за счет гравитационного коллапса , т.е. сверхмощного сжатия звезды. Нейтронные звезды пульсируют с малым периодом (около 0.001с), однако существуют нейтронные звезды с периодом пульсации порядка 1,4с. Они называются пульсарами . Типичным примером пульсара является нейтронная звезда в Крабовидной Туманности.
Черные дыры. При массах звезд от 2 до 10 МС весьма возможна ситуация, когда после вспышки Сверхновой давление нейтронов уже не может предотвратить гравитационный коллапс. И когда скорость падения в поле тяжести такой звезды становится равной скорости света, гравитационный коллапс неизбежен, и звезда продолжает сжиматься до бесконечности (теоретически – до точечного размера). Для такой звезды существует понятие «гравитационного радиуса» rg , соответствующему критическому размеру звезды. Сфера соответствующего радиуса называется сферой Шварцшильда (в честь немецкого ученого К. Шварцшильда). С точки зрения классической механики гравитационный радиус – это радиус такого тела, из поля тяжести которого не может вырваться свет [1]. Таким образом, когда звезда, сжимаясь достигает критического размера, она перестает излучать, сохраняя способность притягивать («засасывать») все, что оказывается в поле ее тяготения. За это она и получила название «черная дыра».
Впервые существование во Вселенной объектов, обладающих таким полем тяготения, что ничто материальное не может вырваться из их плена, было предсказано еще в 1796 г. Лапласом. Однако вывод о существование черных дыр следует из ОТО (отсюда второе название черных дыр – отоны). Интересно, что сам Альберт Эйнштейн, создавший общую теорию относительности и гравитации, в 1939 году опубликовал статью, где доказывал невозможность их существования. Через несколько месяцев после публикации Эйнштейна появилась статья Роберта Оппенгеймера и его студента Снайдера, в которой на основе теории Эйнштейна было показано, как могут возникать черные дыры.
В настоящее время теория черных дыр разработана в настоящее время достаточно подробно, однако базируется она на совсем ином фундаменте — квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно «свалиться» в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.
Можно ли обнаружить черные дыры – ведь они не испускают никакого излучения?. Оказывается можно – косвенным путем. Выше уже говорилось о кратных звездных системах (двойных, тройных звездах). Если одним из компонентов тесной звездной системы является черная дыра, невидимая, но обладающая массой, она будет засасывать вещество звезды-спутника, действуя как «прожорливый вампир». Газовый диск вокруг черной дыры разогревается до десятков миллионов градусов Кельвина и становится исключительно мощным источником рентгеновского излучения. Это излучение и можно обнаружить, и оно действительно обнаруживается. Сейчас «подозреваемыми» на черные дыры являются объекты в созвездиях Лебедь, Стрелец, Скорпион и др. Общее же количество черных дыр во Вселенной должно быть очень большим (в одной нашей Галактике их может быть сотни миллионов).
2. Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. В различных мифах, натурфилософских представлениях до нас дошли идеи о бесконечном пространстве и времени. Действительно, утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере пустота. Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах 20-го века. Основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, ленинградский физик А.А. Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности ) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10-15 м. Ученик Фридмана Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель горячей взрывающейся Вселенной, положив начало так называемой теории "Большого взрыва". Широкое распространение и внедрение эта теория получила с середины 1960-х годов.
Спрашивать о том, что было до «Большого Взрыва» и что находится за пределами стремительно расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории Большого Взрыва ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого . Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Вскоре, однако, астрономические наблюдения вскоре подтвердили факт расширения окружающего нас пространства: американский астроном Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной — что-то около 15 — 20 миллиардов лет. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества - кварки и антикварки. В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Как известно, антипротон отличается от протона противоположным зарядом, а в остальном эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которых обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции обратные реакции аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон. Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.
После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.
К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.
К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала намного «просторнее». Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения, предсказанного Г. Гамовым. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 15 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.
При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.
Близка к теории Большого Взрыва, или «горячей Вселенной» и модель «раздувающейся Вселенной», отличающаяся описанием процессов в течение первых микроскопических долей секунды (10-30 c) после начала расширения (см рис. 3).
Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения правеществе теория Большого Взрыва позволила рассчитать относительные концентрации (распространенность) водорода, дейтерия и более тяжелых химических элементов в природе, что также оказалось в согласии с результатами наблюдений.
В последнюю четверть двадцатого века теория Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии.
3. Антропный принцип.
Место человека во Вселенной в науке 20 в. часто рассматривается на основе антропного принципа (от греч. antropos - человек), который утверждает, что существование и развитие человека обусловлено закономерностями Вселенной, что он занимает во Вселенной привилегированное положение, т.е. Вселенная – дом человека. Истоки этого принципа связывают с идеями К.Э. Циолковского. По его мнению, материя породила человека в ходе эволюции, чтобы двигаться к высшему уровню своего развития и при помощи человека познать себя. Согласно Циолковскому, социально организованное человечество, накопив большой запас знаний, вступит в космическую эру. Циолковский выделяет в ней четыре эпохи. В результате развития по повторяющимся космическим циклам, человек достигнет высочайшего уровня (абсолютного знания), а космос будет представлять собой великое совершенство.
Идея о сверхразуме развивалась французским палеонтологом и философом П. Тейяром де Шарденом в его книге «Феномен человека». Он также исходил из принципа антропоцентризма (человек – центр мира) и писал о «концентрации сознания» отдельных индивидов в коллективный разум – точку Омега. Он считал, что человек, как ось и вершина эволюции раскрывает все, что заложено в материи, он «микрокосм», содержащий в себе все возможности космоса. Жизнь и человек неразрывно связаны с космическими процессами. Неживая материя только кажется на «мертвой», но, по Шардену, она лишь «дожизненна», в ней имеются потенции стать живой.
Само понятие «антропный принцип» появилось уже во второй половине 20-го века. По современным представлениям этот принцип вытекает из взаимосвязи мировых констант (скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, масса электрона и др.). Он был сформулирован в 1961 г. Антропный принцип утверждает, что мир таков, каков он есть, потому что в противном случае некому было бы спрашивать, почему он таков .
Действительно, свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант, и надо отметить, что интервал возможных значений этих фундаментальных констант, обеспечивающих нам мир, пригодный для жизни, очень мал.
Так, например, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной образовывались, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии (водорода и его соединений).
Если бы гравитационная постоянная была бы на несколько порядков меньше, то не возникло бы условий (достаточного сжатия протозвезды) для начала ядерных реакций в звездах.
Усиление слабых взаимодействий превратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все вещество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термоядерного синтеза в звездах.
Усиление электромагнитного взаимодействия на несколько порядков привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и невозможности вследствие этого химических реакций и превращений.
Наконец, если бы первоначальная скорость расширения Вселенной была хотя бы на 0,1% меньше критической скорости расширения, то Вселенная расширилась бы лишь до трех миллионных долей своего нынешнего радиуса, после чего начала бы сжиматься.
В настоящее время говорят о слабой и сильной версии антропного принципа. В слабой версии утверждается о благоприятных локальных условиях для жизни человека. Суть слабой версии можно выразить так: то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. Или, другими словами, свойства Вселенной таковы, что в ней могла появиться жизнь и разум («наблюдатели»). По сильной версии считается, «что человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей смысл существования. Человек не просто является мерой всех вещей, но и их творцом».
Антропный принцип по сей день является предметом дискуссий. Креационисты, т.е. сторонники божественного сотворения мира, используют его в своих целях. Это обстоятельство повлияло на то, что многие ученые порой настороженно, порой иронично относятся к антропному принципу, рассматривая его как ненаучный. Наиболее разумно антропный принцип может быть истолкован следующим образом:
Инфляционные сценарии (т.е. сценарии «раздувания», расширения Вселенной) не исключают возможности разделения Вселенной в процессе своего рождения на неограниченно большое число мини-вселенных. Приставка «мини», разумеется, всего лишь условность, на самом деле речь идет об огромных областях, внутри которых реализуются свои типы физических вакуумов и размерностей пространства-времени. Тогда можно говорить о вероятности (отличной от нуля!) возникновения в числе этих вселенных и таких, которые подобны нашей. Т.е. можно сказать, что мы живем во вселенной с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие вселенные невозможны, а потому, что вселенные подобно нашей существуют. В других же вселенных жизнь нашего типа невозможна.
Итак, развитие Вселенной, согласно современным представлениям, характеризуется некоторой направленностью. В результате происходит рост и разнообразия и сложности материальных образований и на определенном этапе происходит образование живого вещества. Оно служит основой для появления разумной жизни, человека. С появлением человека Вселенная стала познавать себя и благодаря разуму целенаправленно развиваться. Период от Большого Взрыва до целенаправленного развития Вселенной является одним из этапов ее эволюции. Из принципов эволюционной теории (принцип потенциальной многонаправленности) следует, что во Вселенной могут быть различные формы жизни и разума, различные внеземные цивилизации. Тем не менее, продолжающиеся эксперименты по прослушиванию Вселенной с целью поиска внеземных цивилизаций пока не дали положительных результатов. Эта ситуация получила название «феномена молчания Вселенной».
Подводя итог, можно сказать, что современное естествознание, используя антропный принцип, рассматривает человека как уникальный и вместе с тем естественный результат эволюции Вселенной.
Контрольные вопросы
1. Какой элемент является самым распространенным во Вселенной?
2. Опишите процесс образования звезды.
3. От чего зависит эволюционный путь звезды?
4. Что является источником энергии звезд?
5. Как проходит эволюция звезды с массой, не превышающей 1,4МС
?
6. Как проходит эволюция звезды с массой более 1,4МС
?
7. Опишите финальные этапы развития звезды с массой 2…10 МC
.
8. При каких условиях образуется нейтронная звезда?
9. При каких условиях образуется «черная дыра»?
10. Может ли Солнце вспыхнуть как сверхновая? Поясните свой ответ.
11. Опишите основные свойства «черной дыры».
12. Опишите суть теории Большого Взрыва.
13. Перечислите аргументы в пользу теории Большого Взрыва.
14. В чем состоит суть антропного принципа?
15. Поясните «сильную» и «слабую» версию антропного принципа.
Литература
1. Дж. Мэрион. Физика и физический мир. - М.: Мир, 1975. – 623 с.
2. Шкловский И.С. Вселенная, Жизнь, Разум. М.: Наука, 1980. – 285 с.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 834 с.
4. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: ИМПЭ, 1998.
5. Зигель Ю.А. Астрономическая мозаика. - М.: Наука, 1987. – 173 с.
[1] Как известно, существует понятие второй космической скорости. Эта скорость равна (для Земли) 11,2 км/с. Такую скорость должен приобрести космический летательный аппарат, чтобы отправиться с поверхности Земли в космической путешествие. Представим, что радиус Земли уменьшается, а ее масса остается неизменной. Тогда отлет в космос по мере уменьшения Земли становится все труднее и труднее – ведь ускорение силы тяжести g и вторая космическая скорость при этом возрастают. Когда, наконец, радиус Земли станет равным 0,44 см (т.е. земной шар уменьшится до размеров вишни, вторая космическая скорость станет равной скорости света. Это означает, что не только ракета, но и что угодно, в том числе свет не смогут оторваться от поверхности Земли. Радиус r = 0,44 см и будет гравитационным радиусом Земли. Для разных тел гравитационный радиус различен. Например, для Солнца он равен 3 км. Если бы Солнце приобрело такой радиус, оно перестало бы излучать и превратилось бы в черную дыру. Это, однако, невозможно: звезда должна быть как минимум в два раза массивнее Солнца, чтобы оказался возможным гравитационный коллапс.
Лекция 16. Химическая эволюция Земли
| 1. Химическая эволюция Земли 2. Понятие самоорганизации в химии 3. Общая теория химической эволюции и биогенеза Контрольные вопросы |
Ранее уже говорилось о том, что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях.
Наиболее убедительной выглядит модель образования Солнца и планет из единого вращающегося газопылевого комплекса, т.е. в соответствии с ротационными гипотезами. Вспомним, что согласно этим гипотезам в центре вращающейся газовой туманности образовалась протозвезда – Солнце. Центробежные силы в экваториальной области приводили к возникновению неустойчивых потоков газа и пыли. Впоследствии эта часть вещества была оторвана от Солнца, унося с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск (кольцо) в экваториальной плоскости Солнца.
Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение и “выгоняя” солнечным ветром более легкие элементы в дальние части кольца. Этот процесс занял во времени около 100 млн. лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью, что привело к различиям в протекании химических процессов. Химическая эволюция планет и Земли в частности также протекала по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы, а затем летучие. Дальнейшая история развития химических соединений рассматривается нами уже в контексте развития Земли.
1. Химическая эволюция Земли
В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию , поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.
С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает, но не равномерно. Примечательно, что элементы с четным порядковым номером, особенно элементы с массовым числом кратным 4 более распространены . К ним, в частности, относятся He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Дело в том, что этим массовым числам соответствуют устойчивые ядра. Американские космохимики Г. Юри и Г. Зюсс писали по этому поводу следующее: “...распространенность химических элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами, и окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, из которого оно было создано”.
К важнейшим свойствам Земли, определяющим ее происхождение и химическую эволюцию, относится радиоактивность. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. Нагреваясь за счет энергии радиоактивного распада, они подвергались химической дифференциации, которая завершилась формированием внутренних металлических ядер у планет земной группы.
Литофильные элементы, т.е. элементы, образующие твердые оболочки планет (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) переходили вверх, выделение газов из расплавленного вещества мантий при выплавлении легкоплавких фракций, приводила к базальтовым расплавам, которые также изливались на поверхность планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только сравнительно крупные планеты, к которым относилась и Земля. Схема формирования структуры Земли показана на рис.1.
Земля наиболее массивная среди внутренних планет, прошла сложнейший путь химической эволюции. Его были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.
Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:
- эпоху звездных условий существования,
- эпоху начала формирования планет,
- эпоху геологического развития.
Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития примет термин геохронология .
В 1881г.в Болонье на Международном геологическом конгрессе были введены термины эра, эпоха, период, век, время и принята геохронологическая шкала.
Следует подчеркнуть, что геологическая история Земли неотделима от ее биологической эволюции, она совершилась в тесной связи и под влиянием развивающейся жизни. Эти связи отражены и в геохронологии.
По степени изученности геологической и биологической истории Земли, все время ее существования делится на две неравные части:
1. Криптозой (criptos – тайный), эта часть охватывает огромный интервал времени (от 570 до 3800 млн. лет назад). Это период со скрытым развитием органической жизни, включающая архейскую и протерозойскую эры.
2. Фанерозой (греч. рhaneros “явный” + zoe “жизнь”), более поздняя составляющая 570 млн. лет и включающая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры;
Поворотной точкой в истории биологической эволюции Земли явился кембрийский период палеозойской эры. Если докембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-кембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В кембрийский период впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли [8].
До сих пор представляется загадочным тот факт, что появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюци. Этот эволюционный скачок получил название "Кембрийский взрыв ".
2. Понятие самоорганизации в химии.
Вопрос о возникновении органической жизни остается до сих пор одним из самых интересных и сложных вопросов современного естествознания. Ответить на этот вопрос означает объяснить, каким образом природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейшие макромолекулы, а затем высокоорганизованный комплекс биосистем?
Ответ на этот вопрос ищется в настоящее время в особой химической науке – Эволюционной химии. Ее иногда называют также предбиологией – наукой о самоорганизации химических систем.
Под самоорганизацией понимают самопроизвольное повышение упорядоченности уровней сложности материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем.
Субстратный и функциональный подходы к проблеме самоорганизации предбиологических систем. В рамках эволюционной химии выделяется два подхода к проблеме самоорганизации: субстратный и функциональный. Функциональный подход сосредотачивает внимание на исследовании самих процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются эти процессы. Здесь эволюционные процессы часто рассматриваются с позиций кибернетики. Крайней точкой зрения в этом подходе является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционирующих систем.
Субстратный подход состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. элементов-органов и определенной структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза (т.е. происхождение жизни) является получение информации об отборе химических элементов и структур.
Действительно, налицо определенный отбор химических элементов для создания эволюционирующих систем. В настоящее время известно более 100 химических элементов, однако, основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: С, Н, О, N, Р, S , общая весовая доля которых составляет 97,4 % . За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их весовая доля в организмах »1,6 %.
Об отборе свидетельствует и общая химическая картина мира. В настоящее время известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых все те же 6 + 12 элементов. Интересно, что из остальных химических элементов Природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
Принцип отбора действует и далее. Так из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен.
Далее: из 100 известных аминокислот в состав белков входят только 20.
Важно отметить, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ сформировался весь труднообозримый мир живого.
Каковы же принципы отбора химических соединений - своеобразной “химической подготовки” к образованию сложнейших биологических систем?
Оказалось, что определяющая роль здесь принадлежит катализаторам, т.е. веществам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций. Однако, катализаторы не остаются неизмененными в ходе химических реакций: их активность либо падает, либо возрастает.
3. Общая теория химической эволюции и биогенеза
В 60-х годах 20-го века было установлено экспериментально, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А.П. Руденко в 1964 г. теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая по праву можно считать общей теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.
А.П. Руденко сформулировал и основной закон химической эволюции: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.
Временной период химической эволюции. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры до 5000° К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период химической подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция как бы застыла.
Прикладное значение эволюционной химии. Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов – ферментов, а это , в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.
Теории возникновения жизни
Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни на Земле являются следующие.
Креационизм . Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом – Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия). Одни буквально понимают Библию и считают, что мир и все населяющие его живые организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа (в 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, вычислил, что Бог приступил к сотворению мира в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд в декабре 23 октября в 9 часов утра, создав человека. При этом, правда, получается, что Адам был сотворен в то время, когда на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация ). Другие же не относятся к Библии как к научной книге и считают, что главное в ней – божественное откровение о создании мира всемогущим Творцом в понятной для людей древнего мира форме. Другими словами, Библия не отвечает на вопросы «каким образом?» и «когда?», а отвечает на вопрос «почему?». В широком смысле креационизм допускает, таким образом, как создание мира в его законченном виде, так и создание мира, эволюционирующего по законам, заданным Творцом.
Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Однако для верующего теологическая (божественная) истина абсолютна и не требует доказательств. В то же время, для настоящего ученого научная истина не является абсолютной, она всегда содержит элемент гипотезы. Таким образом, концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного – исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.
Самопроизвольное зарождение . Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.
Теория панспермии . Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а просто переносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Теория биохимической эволюции . Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.
Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.
Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:
· высокая температура, порядка 4000О
С,
· атмосфера, состоящая из водяных паров, СО2
, СН3
, NH3
,
· присутствие сернистых соединений (вулканическая активность),
· высокая электрическая активность атмосферы,
· ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.
Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны !
Гипотеза Опарина-Холдейна . В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты (Орджел). В настоящее время синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.
Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам . Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.
(Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.)
Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни – ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.
В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК , т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины . Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.
Гиперциклы и зарождение жизни . Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из теории химической эволюции Руденко, рассмотренной ранее и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов ( нуклеотиды - элементы нуклеиновых кислот – цитозин, гуанин, тимин, аденин), являющихся материальными носителями информации , и протеинов (полипептидов [1] ), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь , которую М. Эйген назвал гиперциклом . В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.
Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. (Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой ). Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Цикла, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.
Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции [6].
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные этапы образования планет в соответствии с ротационной моделью.
2. Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют об едином происхождении планет?
3. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.
4. Как происходила дифференциация вещества Земли? Объясните строение Земли.
5. Что такое геохронология?
6. На какие части (по степени изученности) подразделяется история Земли?
7. Какие элементы называются органогенами и почему?
8. Какие элементы образуют химический состав живых систем?
9. Что такое самоорганизация?
10. В чем сущность субстратного и функционального подходов к проблеме самоорганизации химических систем?
11. Что такое эволюционная химия?
12. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции?
13. Что означает саморазвитие каталитических систем?
14. В чем заключается прикладное значение эволюционной химии?
15. Перечислите основные теории возникновения жизни.
16. Что такое креационизм? Можно ли опровергнуть креационизм? Объясните ваш ответ.
17. Что является слабым местом теории панспермии?
18. Чем отличается теория биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни?
19. Какие условия считаются необходимыми для возникновения жизни в результате биохимической эволюции?
20. Что такое предбиотическая эволюция?
21. В чем заключается гипотеза Опарина - Холдейна?
22. В чем заключается основная проблема объяснения перехода от «неживого» к «живому»?
23. Что такое гиперцикл?
Литература
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
2. Кузнецов В.Н., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар,1996.
3. Грядовой Д.Н. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. - М.: Учпед,1999.
4. Концепции современного естествознания /под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 1997.
5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997.
7. Нудельман Р. Кембрийский парадокс. - "Знание - Сила", август, сентябрь-октябрь 1988.
[1] полипептиды – длинная цепь аминокислот
Лекция 17. Специфика живого
| 1. Предмет изучение, задачи и методы биологии 2. Специфика и системность живого Контрольные вопросы |
1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
Биология – совокупность или система наук о живых системах . Понятие «живые системы» здесь важно подчеркнуть, поскольку жизнь не существует сама по себе, а является свойством определенных систем.
Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:
· строение и функции живых существ и их природных сообществ;
· распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ;
· связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.
Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни. При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук. К основным методам биологии относятся:
· наблюдение , позволяющее описать биологическое явление;
· сравнение , дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений;
· эксперимент , в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов;
· исторический метод , позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.
Выше было сказано, что биология является системой наук, которые могут быть классифицированы различным образом.
1. По предмету изучения : ботаника, зоология, микробиология и т.д.
2. По общим свойствам живых организмов :
- генетика (закономерности наследственности)
- биохимия (превращения вещества и энергии)
- экология (взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой) и т.п.
3. По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы:
- молекулярная биология;
- цитология;
- гистология и т.п.
Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки.
Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии или, по образному выражению [2] трех образах биологии:
1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципах традиционной биологии , поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы ) и со средой обитания (абиотические факторы ).
2. Функционально-химическая биология , отражающая сближение биологии с точными физико-химическими науками. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.
К важнейшим экспериментальным методам, использующимся в физико-химической биологии, относятся метод меченых (радиоактивных) атомов, метолы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования (например, разделение различных аминокислот), использование ЭВМ и др.
3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее время эволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.
В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений («образов») биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.
4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Здесь разные исследования выдвигают различные мнения по вопросу о том, что должно стать фундаментом теоретической биологии. Рассмотрим некоторые из них:
Аксиомы биологии. Б.М. Медников – видный теоретик и экспериментатор, вывел 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».
Таблица 1. Аксиомы биологии
| Аксиома 1 Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания. (Д. Нейман, Н. Винер) |
Аксиома 2 Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. (Н.К. Кольцов) |
| Аксиома 3 В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует. |
Аксиома 4 В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема. (Н.В.Тимофеев-Ресовский) |
Э.С. Бауэр
(1935г.) выдвинул в качестве основной характеристики жизни принцип устойчивой неравновесности живых систем.
Л. Берталанфи
(1932г.) рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия.
Э. Щредингер
(1945г.), Б.П. Астауров представляли создание теоретической биологии по образу теоретической физики.
С. Лем
(1968г.) выдвинул кибернетическую интерпретацию жизни.
5. А.А. Малиновский (1960г.) предлагал в качестве основы теоретической биологии математические и системные методы.
Таким образом, задача построения теоретической биологии отличается чрезвычайной сложностью, комплексностью и многоплановостью. Создание такой теории – одна из важнейших задач современной науки. Вместе с тем ряд авторов [5] подчеркивает, что основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.
2. Специфика и системность живого
Вопрос о сущности жизни до сих пор является одним из центральных вопросов естествознания, несмотря на то, что дискуссии о том, что такое жизнь отражаются различные точки зрения. Все исследователи признают одно общее неотъемлемое свойство живого – ее системный характер, или системность
Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющие новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов.
Таким образом, живой, целостной системе присущи следующие качества:
· множественность элементов,
· наличие связей между элементами и с окружающей средой,
· согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.
Определение жизни. Жизнь – это высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения . (В настоящее время описано более 1 млн. видов животных, около 0,5 млн. растений, сотни тысяч видов грибов, более 3 тыс видов бактерий. Причем число неописанных видов около 1 млн.
Свойства живого
| Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой |
Живые организмы получают энергию из внешней среды, используя ее на поддержание собственной упорядоченности |
| Живые организмы не только изменяются, но и усложняются |
Живые организмы активно реагируют на внешнюю среду |
| Живым организмам присуща способность самовоспроизводства на основе генетического кода |
Живым организмам присуща способность сохранять и передавать информацию |
| Живым организмам присуща высокая приспособляемость к внешней среде |
Живым организмам присуща молекулярная хиральность [1] (молекулярная диссиметрия) |
Целостная система (ткани, органы – элементы, живая система – организм) образуется лишь в результате соединения составных элементов в порядке, который сложился в процессе эволюции. Целостной живой системе присущи следующие качества:
1. Единство химического состава . Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах ~ 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (~62%), углерод (~20 %),водород (~10%), азот (~3%), кальций (~2,5%), фосфор (~1,0 %). Кроме того, живые системы содержат совокупность сложных полимеров (в основном белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т.д.), которые неживым системам не присущи.
2. Открытость живых систем . Живые системы – открытые системы. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ - метаболизм. Основа метаболизма – анаболизм (ассимиляция), то есть синтез веществ, и катаболизм (диссимиляция), то есть распад сложных веществ на простые с выделением энергии, которая используется для биосинтеза.
3. Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, самоорганизующиеся системы. Для пояснения этого утверждения дадим определения саморегуляции и самоорганизации.
Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы. Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления. При саморегуляции и самоорганизации управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. Это означает, что живые системы – самоуправляющиеся системы.
4. Живые системы – самовоспроизводящиеся системы. Живые системы существуют конечное время. Поддержание жизни связано с самовоспроизведением, благодаря чему живое существо воспроизводит себе подобных.
5. Изменчивость живых систем. Изменчивость связана с приобретением организмом новых признаков и свойств. Это явление противоположно наследственности и играет роль в процессе отбора организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям.
6. Способность к росту и развитию . Рост - увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения; рост сопровождается развитием то есть возникновением новых черт и качеств. Развитие может быть индивидуальным (онтогенез), когда последовательно проявляются все свойства организма, и историческим, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением живой системы (филогенез).
7. Раздражимость живых систем . Раздражимость - неотъемлемая черта всего живого. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды к живой системе и проявляется в виде реакций системы на внешние воздействия.
8. Целостность и дискретность . Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Например: организм состоит из клеток, являющихся живыми системами; биоценоз состоит из совокупностей различных видов, которые также являются живыми системами. С дискретностью связаны различные уровни организации живых систем; о чем будет сказано ниже. Вместе с тем живая система целостна, поскольку входящие в нее элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи с другими элементами системы.
Специфика живого заключается в том, что ни один из перечисленных признаков (а их число составляет по данным разных ученых до 20-30) не является самым главным, определяющим для того, чтобы систему можно назвать целостной живой системой. Только наличие всех этих признаков вместе взятых позволяет провести границу между живым и неживым в природе. Единственный способ дать определение живому – перечислить основные свойства живых систем.
3.Уровни организации живых систем
Уровни организации живых систем представляют собой некую упорядоченность, иерархическую систему, которая является одним из основных свойств живого, см. табл. 2.
Таблица 2
| Основная группа или ступень |
Уровень |
| Биологическая микросистема |
Молекулярный |
| Биологическая мезосистема |
Тканевый |
| Биологическая макросистема |
Популяционно-видовой |
Каждая живая система состоит из единиц подчиненных ей уровней организации и является единицей, входящей в состав живой системы, которой она подчинена. Например, организм состоит из клеток, являющихся живыми системами, и входит в состав недоорганизменных биосистем (популяций, биоценозов).
Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня:
· характер клеточного уровня организации определяется молекулярным;
· характер организменного – клеточным;
· популяционно-видовой – организменным и т.д.
1. Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК).
2. Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина протерозойской эры ~ 2000 млн. лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом.
3. Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне.
4. Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. (Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений).
5. Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов (организмы, особи), имеющих свои отличительные черты.
6. Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция – это недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов.
7. Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.
8. Биосферный уровень. Совокупность биогеоценозов составляют: биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней.
Таким образом, мы видим, что вопрос о структурных уровнях в биологии имеет некоторые особенности по сравнению с его рассмотрением в физике. Эта особенность состоит в том, что изучение каждого уровня организации в биологии ставит своей главной целью объяснение феномена жизни. Действительно, если в физике деление на структурные уровни материи в достаточной степени условно (критериями здесь являются масса и размеры), то уровни материи в биологии отличаются не столько размерами или уровнями сложности, но главным образом, закономерностями функционирования.
Действительно, если, например, исследователь изучил физико-химические свойства биологического объекта и его структуру, но не установил его биологического назначения в целостной системе, это будет означать, что изучен ещё один определенный объект, но не уровень живой материи.
Ещё одна особенность структуризации живой материи состоит в иерархической [2] соподчиненности уровней. Это означает, что низшие уровни как единое целое входят в высшие. Эта концепция структуризации получила название «многоуровневой иерархической матрешки».
Важно отметить, также, что число выделяемых в биологии уровней зависит от глубины профессионального изучения мира живого.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение биологии. Что является предметом изучения биологии?
2. Назовите основные методы биологии.
3. Перечислите основные классификации биологических наук.
4. Дайте характеристику традиционной (натуралистской) биологии.
5. В чем заключаются особенности физико-химической биологии?
6. Что изучает молекулярная биология?
7. Перечислите основные экспериментальные методы физико-химической биологии.
8. Что изучает эволюционная биология?
9. Что такое теоретическая биология? Перечислите основные предпосылки (теоретические положения) ее создания.
10. Что такое биологическая система?
11. Назовите три основных системных свойства живого.
12. Перечислите основные качества живых систем.
13. В чем заключается открытость живых систем?
14. Поясните утверждение: «Живые системы являются самоуправляющимися и самоорганизующимися».
15. В чем заключается раздражимость живых систем?
16. «Единственный способ дать определение живому - …»(продолжите).
17. В чем заключается особенность структурных уровней в биологии по сравнению со структуризацией материи в физике?
18. В чем заключается концепция многоуровневой иерархической «матрешки»?
19. Перечислите структурные уровни организации живого.
20. Что такое популяция?
21. Что такое биогеоценоз? Экологическая система?
Литература
1. Тулинов В.Д., Недельский Н.Ф., Олейников Б.И. Концепции современного естествознания, М.: МУПК, 1995.
2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание М.: Агар, 1995.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания, М.: Учпедиз, 1995.
4. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания, М.: ИМПЭ, 1998.
5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
[1] Хиральность – зеркальная асимметрия молекул. Молекулы, из которых образовано живое вещество, могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой». Например, молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая.
[2] Иерархия – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему
Лекция 18. Термодинамика живых систем.
Жизнь как информационный процесс.
| 1. Термодинамика живых систем 2. Управление и регуляция в живых системах Контрольные вопросы |
1. Термодинамика живых систем
Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие . Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а. значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости , достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния .
В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живо системы в такое состояние означает для нее смерть.
Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.
Весьма важным является вопрос о применимости законов термодинамики к живым системам.
I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой
DE = Q + A
Для адиабатически изолированных (Q = 0, то есть обмена теплом с внешней средой не происходит) и замкнутых (А = 0, то есть внешние силы отсутствуют) систем DE = 0. Последнее утверждение является законом сохранения энергии: при всех изменениях, происходящих в адиабатически изолированных и замкнутых системах полная энергия системы остается постоянной.
Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:
а) выделяемого тепла;
б) в совершаемой внешней работе или выделяемых веществах;
в) в виде теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей извне.
II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах, то есть DS ³ 0 . Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим, поэтому также DS ³ 0 .
Здесь есть также определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует большему количеству информации). Можно говорить при этом о единстве природы информации и энтропии . Действительно, увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.
Вспомним физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы в равновесное состояние, которое всегда характеризуется тем, что:
а) в процессе этого перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия и для совершения полезной работы она использована быть не может;
б) равновесном состоянии элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью.
Отсюда следует, что энтропия является как мерой рассеяния энергии, так и, что сейчас для нас главное, мерой неупорядоченности системы .
Применение второго закона термодинамики к живым системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность живой системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма (ортогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза) все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.
Для открытых термодинамических систем изменение энтропии состоит из суммы DS = DSi
+ DSе
где DSi
– изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, DSe
– изменение энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой.
Согласно второму закону термодинамики величина DSi может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dSe может быть положительной (DSe > 0, система получает энтропию) и отрицательной (DSe < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe < 0 и | DSe | > | DSi | :
DS = DSi + DSe < 0,
что означает увеличение упорядоченности в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри ее в ходе необратимых процессов.
Рассмотрим производную энтропии по времени , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выражения для DS следует, что производство энтропии открытой системы:
Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины):
Это означает, что
т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dSi ), должна полностью переходить во внешнюю среду.
Теорема Пригожина. Согласно теореме Пригожина, если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным, то есть.
Таким образом, мы можем сказать, что для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии минимально .
Для живых систем это означает следующее:
В течение времени жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность).
Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными , а отрицательную энтропию – негэнтропией ).
Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада и создает упорядоченность.
Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются:
Для организмов - гетеротрофов (питающихся только органической пищей) – энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых высокоструктурированных органических веществ. В этом случае поглощаемые пищевые вещества обладают больше упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.
Для организмов - автотрофов (самостоятельно синтезирующих для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией.
Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.
Если рассматривать систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики справедлив: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде.
Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом (как следует из теоремы Пригожина) минимально.
Таким образом, с позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.
Следующий вопрос заключается в том, как реализуются процессы самоуправления и самоорганизации живых систем. Вопрос этот прежде всего связан с рассмотрением жизни как информационного процесса. Недаром кибернетика определена ее создателем Н. Винером как «наука об управлении и передачи информации в живых организмах и машинах».
Прежде всего, рассмотрим две важнейшие функции организованных и управляющих систем – управление и регулирование.
2.Управление и регулирование в живых системах
2.1 Задачи управления и регулирования
Управление и регулирование – близкие понятия, однако, между ними есть определенная разница. Управление – функция организованных систем, обеспечивающая выполнение следующих задач:
· сохранение определенной структуры системы;
· поддержание режима деятельности системы;
· реализацию цели деятельности системы по определенному правилу (алгоритму).
Эти задачи решаются с помощью регулирования.
Регулирование – функция управляющих систем, обеспечивающая выполнение таких задач, как:
· поддержание постоянства регулируемой величины на некотором определенном уровне;
· изменение регулируемой величины по заданному закону (программное регулирование
);
· изменение регулируемой величины в соответствии с ходом некоторого внешнего процесса (следящее регулирование
).
Гомеостазис. В целом регулирование направлено на поддержание гомеостазиса – относительно динамического постоянства характеристик внутренней среды организма.
Гомеостазис обусловлен способностью живых систем вырабатывать реакции в ответ на изменение параметров внешней среды, которые исключают или сводят к минимуму последствия этих изменений (ср. с рассмотренным ранее принципом Ле-Шателье).
Задачи управления в живой системе, таким образом, состоят в том, чтобы как можно эффективнее отвечать на изменения, происходящие во внешней и внутренней ее среде, то есть нейтрализовать возмущающие воздействия на систему. Живая система решает задачу управления путем своевременной перестройки своей структуры в соответствии с изменившимися условиями. Иными словами, процесс управления является процессом упорядочения системы в соответствии с изменениями во внешней и внутренней среде с целью противодействия факторам дезорганизации . Этот процесс осуществляется с помощью элементов, входящих в состав самой системы.
В живых системах управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой . Поэтому управление в живых системах является самоуправлением, процессы регулирования – процессами саморегулирования, а сами живые системы являются самоорганизующимися системами. Здесь уместно дать еще одно определение самоорганизации.
Самоорганизация – процесс, в ходе которого создается, поддерживается или совершенствуется организация сложной системы. Свойства самоорганизации присущи всем живым системам: клеткам, организмам, популяциям, биогеоценозам. Процессы самоорганизации происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы . В самоорганизующихся системах приспособление к изменяющимся условиям или улучшение процесса управления достигается изменением структуры системы управления: включением или отключением элементов системы, изменением связей между элементами и их подчиненностью, изменением алгоритмов управления.
Уровни управления. В организме существует несколько уровней управления.
Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне.
Механизм тканевой регуляци и– более высокий уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более высокий уровень – железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые управляют организмом как целым.
Высший уровень регуляции – центральная нервная система , которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции.
Управление организмом имеет многоуровневый «иерархический» характер. На каждом уровне управление направлено на решение задач, присущих этому уровню. Чем выше уровень, тем более общие для системы задачи на нем решаются. Главная же цель, общая для живой системы в целом ставится и решается на высшем уровне управления. Цели и задачи нижележащих уровней носят вспомогательную роль по отношению к общей цели.
Основой для процессов управления и регуляции является обмен информацией благодаря наличию информационных связей. Рассмотрим подробнее информационные связи внутри организма.
2.2 Информационные связи внутри организма
Гормональная связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.
Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается при росте интенсивности стимула.
Генетическая связь. Источником сообщения в этом случае является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Функционирование этой связи будет рассмотрено позже.
Таким образом, процесс управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей организованности.
2.3 Цели и специфика управления в живых системах
Цели управления в живых системах чрезвычайно разнообразны. В любой системе цель управления в общем виде заключается в достижении системой множества полезных для нее свойств при разнообразных внешних воздействиях. Здесь мы рассматриваем живые, биологические системы. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.
Обратные связи. Важной стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное. Иными словами, обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание (см. рис. 1). Обратная связь может быть положительной и отрицательной.
Положительная обратная связь – такая обратная связь, когда результаты процесса усиливают его. Если же результаты процесса ослабляют его действие, говорят об отрицательной обратной связи .
Действие обратных связей можно рассмотреть на примере роста численности популяции некоторых видов, к примеру, мелких рыбёшек, в зависимости от наличия пищи (планктона) и наличия рыб-хищников. Чем больше пищи, тем большее число потомков рыбёшек может прокормиться и затем дать новое потомство. При неограниченном количестве пищи и отсутствии хищников и болезней у рыбешек их численность могла бы неограниченно возрастать. Здесь имеет место положительная обратная связь (см. рис. 2), выражающаяся в том, что процесс роста популяции рыбешек ведет к еще большему (в геометрической прогрессии) её росту. В случае наличия рыб-хищников возникает еще одна обратная связь: численность хищников будет влиять на количество корма для них (на количество мелких рыбешек). Эта обратная связь будет отрицательной. В результате действия обратных связей численность в популяциях является волнообразной (так называемые «волны жизни») и колебания численности будут происходить вокруг некоторого среднего уровня.
Роль положительных и отрицательных обратных связей различна. Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность функций живых систем, их устойчивость к внешним воздействиям. Они являются основным механизмом энергетического и метаболического баланса в живых системах, контроля численности популяций, саморегуляции эволюционного процесса.
Положительные обратные связи играют позитивную роль усилителей процессов жизнедеятельности. Особую роль они играют для роста и развития.
Таким образом, общие характеристики обратных связей могут быть сформулированы следующим образом:
Отрицательные обратные связи способствуют восстановлению исходного состояния. Положительные – уводят организм все дальше от исходного состояния.
Самоорганизация на всех уровнях начинается на основе механизмов положительной обратной связи, на которые затем накладываются ограничения отрицательных обратных связей.
Иерархия целей управления в живых системах. Рассмотрим наиболее общую цель всех живых систем – сохранение и продолжение жизни. Здесь цель достигается в следующем порядке:
Цель I порядка – обеспечить существование систем (достигается поддержанием стационарного неравновесного состояния, при котором = min .) Нарушение этого состояния означает смерть.
Цель II порядка – обеспечить высокое качество существования системы → поддержание гомеостазиса. Гомеостазис – необходимое условие высокого качества функционирования системы;
Цель III порядка – достижение максимально высоких показателей существования системы (максимальная энергетическая эффективность и надежность).
По мере ухудшения внешних условий система отказывается от иерархически менее важных целей («не до жиру – быть бы живу!»).
Контрольные вопросы
1. В чем заключается особенность применения II начала термодинамики к живым системам?
2. Что означает переход живой системы в равновесное состояние?
3. В чем суть теоремы Пригожина для открытых термодинамических систем при неизменных условиях?
4. Что извлекает организм из окружающей среды для того, чтобы энтропия системы не возрастала?
5. В чем состоит задача управления в живой системе?
6. Каким путем живая система решает задачу управления?
7. Какие функции организованных систем обеспечивает управление?
8. Какие функции организованных систем обеспечивает регулирование?
9. Дайте определение гомеостаза.
10. Что такое обратная связь? Поясните понятие положительной и отрицательной обратной связи.
11. Объясните иерархию целей управления в живых системах.
Литература
1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар, 1996.
2. Тулинов В.Д., Недельский Н.Ф., Олейников Б.И. Концепции современного естествознания, М.: МУПК, 1995
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997
Лекция 19. Концепция эволюции в биологии
| 1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса 2. Современная (синтетическая) теория эволюции Контрольные вопросы |
Под эволюцией подразумевается процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся образованием новых систем, структур и видов. Представления об эволюции в естествознании имеют ключевое значение. В начале нашего курса было рассмотрено понятие парадигмы – особого способа организации научного знания, задающего характер вùдения мира, системы предварительных условий, ориентиров и предпосылок в процессе построения и обоснования различных теорий, т.е. системы, которая определяет в целом тенденции развития научных исследований. [1] Парадигма современного естествознания – это эволюционно-синергетическая парадигма , в основе которой лежат представления о самоорганизации и эволюции материи на всех ее структурных уровнях. Ранее уже говорилось об эволюции Вселенной, звезд, планетных систем, геологической и химической эволюции. Однако впервые эволюционная концепция четко и обоснованно была сформулирована в биологии.
1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса
Представления об эволюции живого высказывались практически на протяжении всего периода развития естествознания (Эмпедокл, Аристотель, Ламарк). Тем не менее, основоположником эволюционной теории в биологии считается Ч. Дарвин. В каком-то смысле толчком к развитию теории эволюции можно считать книгу Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении» (1778), в котором он показал, к чему бы привел рост народонаселения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин применил подход Мальтуса на другие живые системы. Исследуя изменения численности популяций, он пришел к объяснению эволюции путем естественного отбора (1839 г). Таким образом, наибольший вклад Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить.
В это же время другой естествоиспытатель А.Р. Уоллес, как и Дарвин, много путешествовавший и тоже читавший Мальтуса, пришел к тем же выводам. В 1858 г. Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне. В 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов» («Origin of species»).
Согласно теории Дарвина – Уоллеса, механизмом, с помощью которого возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта теория основывается на трех наблюдениях и двух выводах, которые удобно представить в виде следующей схемы.
2 Современная (синтетическая) теория эволюции
Теория Дарвина – Уоллеса в 20-м веке была значительно расширена и разработана в свете современных данных генетики (которая во времена Дарвина еще не существовала), палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии (науки о поведении животных) и получила название неодарвинизма или синтетической теории эволюции .
Новая, синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина, прежде всего, идеи естественного отбора, с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Современная теория эволюции имеет следующие особенности:
· она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция;
· выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции;
· шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции;
· четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию (впервые эти термины были введены в 1927 г. Ю.А. Филипченко, а дальнейшее уточнение и развитие получили в трудах выдающегося биолога-генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского).
Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов.
Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.
Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода, и ее процесс может быть только реконструирован, мысленно воссоздан. Как микро- так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде.
Подтверждения теории эволюции . Сведения, подтверждающие современные представления об эволюции, являются результатами исследований в различных областях науки, из которыми важнейшими являются
палеонтология,
биогеография,
морфология,
сравнительная эмбриология,
молекулярная биология,
систематика,
селекция растений и животных.
(Подробнее см. [1], [2] )
Важнейшими аргументами в пользу эволюционной теории является так называемая палеонтологическая летопись, т.е. обнаруживаемые ископаемые формы живых организмов и биогенетический закон Геккеля («онтогенез повторяет филогенез»).
Основные законы эволюции. Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции.
1. Скорость эволюции в разные периоды неодинакова и характеризуется тенденцией ускорения *. В настоящее время она протекает быстро, и это отмечается появлением новых форм и вымиранием многих старых.
2. Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью.
3. Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм.
4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации).
5. Эволюция затрагивает популяции , а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.
Последнее весьма важно для понимания различия между дарвиновской теории эволюции и современной теорией (неодарвинизмом).
Основные факторы эволюции . Современная теория эволюции, обобщая данные многочисленных биологических исследований, позволила сформулировать основные факторы и движущие силы эволюции.
1. Первым важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс , который исходит из признания факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т.е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызываемых искусственно.
2. Второй важнейший фактор – популяционные волны , часто называемые «волнами жизни». Они определяют количественные флуктуации (отклонения от среднего значения) численности организмов в популяции, а также области ее обитания (ареала).
3. Третьим основным фактором эволюции признается обособленность группы организмов.
К перечисленным основным факторам эволюции добавляют такие как частота смены поколений в популяции, темпы и характер мутационных процессов и др. Важно помнить, что все перечисленные факторы выступают не изолированно, а во взаимосвязи и взаимодействии друг с другом. Все эти факторы являются необходимыми, однако, сами по себе они не объясняют механизма эволюционного процесса и его движущей силы. Движущая сила эволюции заключается в действии естественного отбора, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей среды. Результатом же самого естественного отбора является устранение от размножения (элиминация ) отдельных организмов, популяций, видов и других уровней организации живых систем. (Следует иметь в виду, что трактовка естественного отбора как процесса выживания сильнейших, наиболее приспособленных некорректна, так как, с одной стороны, в ряде случаев бессмысленно говорить о большей или меньшей приспособленности, с другой – даже при явно меньшей степени приспособленности, допускается возможность размножения ).
Формы естественного отбора. Естественный отбор в процессе эволюции принимает различные формы. Можно выделить три основных формы: стабилизирующий отбор, движущий отбор и дизруптивный отбор.
Стабилизирующий отбор - форма естественного отбора, направленная на поддержание и повышение устойчивости реализации в популяции среднего, ранее сложившегося признака или свойства. При стабилизирующем отборе преимущество в размножении получают особи со средним выражением признака ( по образному выражению, это «выживание заурядностей»). Эта форма отбора как бы охраняет и усиливает новый признак, устраняя от размножения все особи, фенотипически заметно уклоняющиеся в ту или другую сторону от сложившейся нормы.
Пример: после снегопада и сильных ветров было найдено 136 оглушенных и полуживых воробьев; 72 из них выжили, а 64 погибли. У погибших птиц были очень длинные или очень короткие крылья. Особи же со средними - «нормальными» крыльями оказались более выносливыми.
Упомянутое ранее биохимическое единство жизни на Земле - это один из результатов стабилизирующего отбора. Действительно, аминокислотный состав низших позвоночных и человека почти один и тот же. Биохимические основы жизни оказались надежными для воспроизведения организмов независимо от уровня их организации.
Стабилизирующий отбор в точение миллионов поколений оберегает сложившиеся виды от существенных изменений, от разрушающего действия мутационного процесса, выбраковывая уклонения от приспособительной нормы. Эта форма отбора действиует до тех пор, пока не изменяются существенно условия жизни, в которых выработаны данные признаки или свойства вида.
Движущий (направленный) отбор - отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившимися условиями. Результатом такого отбора является, например, утрата некоторого признака. Так в условиях функциональной непригодности органа или его части естественный отбор способствует их редукции, т.е. уменьшению, исчезновению. Пример: утрата пальцев у копытных, глаз у пещерных животных, конечностей у змей и т.п. Материал же для действия такого отбора поставляется разного рода мутациями.
Дизруптивный (разрывающий) отбор - форма отбора, благоприятствующая более чем одному фенотипу и действующая против средних, промежуточных форм. Эта форма отбора проявляется в тех случаях, когда ни одна из групп генотипов не получает абсолютного преимущества в борьбе за существование из-за разнообразия условий, одновременно встречающихся на одной территории. В одних условиях отбирается одно качество признака, в других - другое. Дизруптивный отбор направлен против особей со средним, промежуточным характером признаков и ведет к установлению полиморфизма, т.е. множества форм в пределах одной популяции, которая как бы «разрывается» на части.
Пример: В лесах, где почвы коричневого цвета особи земляной улитки чаще имеют коричневую и розовую окраску раковин, на участках с грубой и желтой травой преобладает желтая окраска и т.п. [2].
Некоторые современные исследователи справедливо полагают, что синтетическая теория эволюции не является достаточно всеобъемлющей моделью развития жизни [7] и разрабатывают системную теорию эволюции , в которой подчеркивается следующее:
1. Эволюция протекает в открытых системах, и необходим учет взаимодействия биосферных геологических и космических процессов, которое, по-видимому, дает импульс для развития живых систем. Значительные события из истории жизни должны, таким образом, рассматриваться в связи с развитием планеты.
2. Эволюционные импульсы распространяются от высших системных уровней к низшим: от биосферы к экосистемам, соообществам, популяциям, организмам, геномам. Прослеживание причинно-следственных связей не только «снизу вверх» (от генных мутаций к популяционным процессам), как это свойственно традиционному подходу, но и «сверху вниз», позволяет не уповать всякий раз на случайность при построении модели эволюции.
3. Характер эволюции изменяется с течением времени, т.е. эволюционирует сама эволюция: значение тех или иных признаков приспособленности и неприспособленности, по которым осуществляется естественный отбор, в процессе эволюции и биологического прогресса падает или возрастает, как, например, роль индивидуального развития, роль индивида в историческом развитии.
4. Направленность эволюции определяется системными свойствами, задающими ее цель, что позволяет нам понять смысл биологического прогресса. Действительно, в живых (открытых) системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. Физический смысл производства энтропии применительно к живым системам заключается в отмирании живой материи в форме гибели организмов, т.е. образованию мертвой массы («мортмассы»), и производство энтропии тем выше, чем выше отношение мортмассы к биомассе. Это отношение падает при движении по эволюционной лестнице от простых организмов к сложным. Согласно теореме И. Пригожина, рассмотренной нами ранее, в открытых системах стационарное состояние соответствует минимуму производства энтропии. Такие системы, следовательно, имеют цель, определенное состояние, к которому они стремятся. Это позволяет объяснить, почему эволюция не остановилась на уровне бактериальных сообществ, а продвинулась дальше по пути, который привел к появлению высших животных и человека.
Контрольные вопросы
1. Объясните термин «эволюционно-синергетическая парадигма».
2. Назовите и объясните основные положения эволюционной теории Дарвина.
3. Что такое синтетическая теория эволюции, как она соотносится с теорией Дарвина?
4. Что такое микроэволюция?
5. Что такое макроэволюция?
6. Что подтверждает теорию эволюции?
7. Назовите основные законы эволюции.
8. Назовите основные факторы эволюции.
9. Что является движущей силой эволюции?
10. Назовите и объясните основные формы естественного отбора.
11. Что является результатом естественного отбора?
12. Правильно ли утверждение «выживает сильнейший»?
13. Назовите формы естественного отбора.
14. Что такое стабилизирующий отбор?
15. Что такое движущий отбор?
Литература
1. Концепции современного естествознания /под ред. С.И.Самыгина.-Ростов н/Д: Феникс, 1997.
2. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
4. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
5. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997.
6. Красилов В. Эволюция: Дарвин и современность. // Знание – Сила. - № 2. – 1997.
7. Красилов В. Эволюция: Дарвин и системный подход. // Знание – Сила. - № 3. – 1997.
[1] Новые научные парадигмы, как правило, не отрицают, а задают границы корректности предшествующих им теорий. К примеру, теория относительности не отменила классическую физику, но описала рамки, в которых положения классической теории справедливы. Физика Ньютона - частный случай физики Эйнштейна.
* Первые живые организмы возникли около 3,5 млрд. лет назад, многоклеточные – 2,5 млрд. лет назад, животные и растения – 400 млн. лет назад, млекопитающие и птицы – 100 млн. лет, приматы – 60 млн. лет, гомиды – 16 млн. лет, род человека – 6 млн. лет, Homo sapiens – 60 тыс. лет назад.
Лекция 20. Человек
| 1. Место человека в системе животного мира и антропогенез Контрольные вопросы |
1. Место человека в системе животного мира и антропогенез
Вопрос о происхождении человека имеет не только научное значение: с позиций эволюционной биологии или чисто зоологической точки зрения – это частный филогенетический вопрос. Здесь речь идет, с одной стороны, об огромном философском, мировоззренческом значении ответа на этот вопрос, а с другой – о возможности проследить, как закономерности биологической эволюции уступают место другим закономерностям, связанным уже с возникновением социальной формы движения материи.
Представления о естественном возникновении человека от обезьяноподобных существ в результате эволюции существовали еще в глубокой древности. Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая, что «обезьяна менее красива, чем лошадь, она больше похожа на человека». В начале I тысячелетия до н.э. в Индии существовали философские школы, которые отстаивали идея развития материального мира. В еще более древних текстах «Аюрвед» утверждается, что человек произошел от обезьян, живших около 18 млн. лет назад на материке, объединявшем Индостан и Юго-Восточную Азию. По этим представлениям, около 4 млн. лет назад предки современных людей перешли к коллективному добыванию пищи, а современный человек появился около 1 млн. лет назад (интересно, что эти представления не так уж далеки от современных). Карл Линней в первом издании своей «системы природы» в 1735 г. объединил человека и обезьян в один отряд и дал ему имя «приматы» (>лат. первые, главенствующие). Интересно, что Ж. Ламарк в 1809 г. изложил гипотезу происхождения человека от обезьян путем исторического развития организмов, но, боясь церкви, приписал буквально следующее: «Вот каким могло бы выглядеть происхождение человека, если б оно не было иным».
Надо заметить, что лишь в середине 20-го века католическая церковь была вынуждена признать естественное происхождение человека как биологического существа. В своей энциклике «Происхождение человека» (1950) римский папа Пий XII провозгласил: «Учение церкви не запрещает эволюционному учению в соответствии с состоянием человеческой науки и теологии быть предметом исследований... специалистов до тех пор, пока они проводят исследования о происхождении человеческого тела из уже существующей живой материи, несмотря на то, что католическая вера обязывает нас придерживаться взгляда, что души созданы непосредственно Богом» . Т.е. спор здесь идет лишь о возможности возникновения души. Тем не менее, анализ формирования высшей нервной деятельности в ряду предковых и родственных человеку современных млекопитающих свидетельствует о том, что все проявления психической сферы также являются результатом естественно-исторических процессов.
Однако основную роль в доказательстве животного происхождения человека сыграла книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1851), которая содержала огромное число систематизированных фактов из разных областей биологии. Ч. Дарвин подчеркивал при этом, что человекообразные обезьяны не могут рассматриваться как предки человека – они как бы наши «двоюродные братья». ( К сожалению, это зачастую плохо усваивается людьми, далекими от биологии: риторический вопрос: «а что же они (т.е. обезьяны) сейчас-то в людей не превращаются?»).
Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна «человечность» бытового поведения на воле: они обнимаются при встречах, похлопывают друг друга по плечу или по спине, соприкасаются руками. В экспериментальных условиях обезьяны пытаются делать примитивные орудия (например, расщепляют острым камнем доску), обучаются и общаются с человеком на жестовом языке глухонемых, а также с помощью специального компьютера и т.п.
Важным аргументом в пользу теории антропогенеза оказалось установление имуннологического и биохимического родства человека с обезьянами. Человекообразные высшие обезьяны намного ближе к человеку, чем к низшим обезьянам по структуре лейкоцитов, генетическим особенностям. Так, у человека диплоидное число хромосом равно 46, а у человекообразных обезьян – 48, в то время как у низших обезьян это число колеблется в пределах от 54 до 78. Известны случая успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови и наоборот. Для низших же обезьян кровь человека абсолютно чужеродна. Тонкие методы, основанные на определении аминокислотных последовательностей белков, показывают, что человек и шимпанзе отличаются на 1% аминокислотных замен. Многие белки человека и шимпанзе, например, гормон роста, взаимозаменяемы.
Тем не менее, анатомические отличия человека от антропоидов (высших обезьян) весьма значительны. И главные из них те, что обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности и богатого речевого общения.
Говоря о месте человека в системе животного мира можно выразиться следующим образом: человек – один из видов млекопитающих, относящихся к отряду приматов, подотряду узконосых. Современные человекообразные обезьяны – шимпанзе, горилла, орангутанг, гиббоны – представляют формы, около 10-15 млн. лет назад уклонившиеся от линии развития, общей с человеком.
2. Основные этапы развития человека разумного
За последние 40-50 лет в антропологии накопились данные, позволяющие не только ответить на многие вопросы, связанные с антропогенезом, но и поставить ряд новых проблем.
Находки, сделанные главным образом в Южной Африке, позволяют представить облик существ, находившихся в основании развития линии приматов, приведшей к возникновению рода Homo. Их стали называть австралопитеками (<лат. australis - южный, pithecus – обезьяна).
Австралопитеки – сравнительно крупные, около 20-65 кг массой, 100-150 см ростом ходили на коротких ногах при выпрямленном положении тела, масса мозга – 450-550 г. Это были обитатели открытых пространств. Свободные руки служили для нападения и защиты. Австралопитеки широко использовали как ударные орудия палки, камни, кости копытных и т.д. Судя по строению зубов, эти животные были всеядными. Одновременно существовало несколько разных видов австралопитеков и одним из наиболее вероятных «кандидатов» в непосредственные предки ствола рода Homo является так называемый афарский австралопитек , остатки которого найдены в Эфиопии, в слоях возраста около 3,5 млн. лет. Специализированные австралопитеки обитали уже вместе с ранними формами человека и могли быть его жертвами. В целом австралопитеки намного ближе к человеку, чем современные человекообразные обезьяны.
Род Homo , появившийся на Земле, продолжал претерпевать эволюционные изменения. В настоящее время известны несколько переходных форм.
1. Человек умелый (Homo habilis
). – 2 млн. лет назад.
2. Архантропы (Homo erectus
) – 2 млн. лет назад – 140 тыс. лет назад.
3. Палеоантропы (Homo Neanderthalensis
, неандертальцы) – от 250 до 40-25 тыс. лет назад.
Последние исследования показывают, что неандертальцы – неоднородная группа. Интересно, что более древние по возрасту находки неандертальцев морфологически (т.е. по форме) более прогрессивны, чем более поздние формы. Ранние неандертальцы с менее мощным физическим развитием, по-видимому, впоследствии дали начало ветви современного человека – кроманьонца. Поздние же неандертальцы, более крупные и более развитой мускулатурой, оказались тупиковой ветвью и были вытеснены Человеком разумным – Homo sapiens – видом, к которому принадлежим и мы.
Возможные формы филогенеза человекообразных форм представлена на рис. 1. Важно иметь в виду, что это - весьма приближенные схемы. Дело в том, что Современные палеонтологические данные опровергают прежние представления о «прямолинейности» эволюционного древа человека, в которых все, что существовало рядом с «основным» стволом, провозглашается «боковой» и «тупиковой» ветвью. Такая прямолинейность природе не свойственна. Появлению нового вида предшествует «лихорадка эволюционной активности». Иными словами, возникает множество разновидностей, слегка, а потом и не так уж слегка отличающихся от типичной прежней. Многие из этих разновидностей продолжают сосуществовать и далее, постепенно все более расходясь, образуя новые виды и продолжая тем же путем эволюционировать и дальше. И никто из них не «выше» и не «ниже» других, нет среди них «главного ствола» и «боковых ветвей». Поэтому нельзя воображать себе эволюцию как ствол, неукротимо тянущийся к некой вершине, — эволюция больше похожа на гигантский кустарник, покрывающий огромное поле и состоящий из множества более мелких, но тоже очень сложных кустов [4].
По отношению к человеку это означает, что могли одновременно сосуществовать многие веточки соответствующего эволюционного куста и ученым еще предстоит их отыскать. Всякая же попытка провести через известные ископаемые находки, как более, так и менее «прогрессивные», некую «прямую», которая изображала бы эволюцию древнего человека, становится попросту невозможной. Один из палеоантропологов хорошо сказал по этому поводу: «Пока в нашем распоряжении было мало черепов, такую прямую можно было легко провести. Но чем больше накапливается «точек», тем труднее оказывается это сделать». Это распространенное правило: чем меньше фактов существует (или принимается во внимание), тем легче выстроить стройную концепцию, теорию или гипотезу. Больше фактов, конечно, лучше, но зачастую накопление новых фактов заставляет пересматривать существующие теории.
Последние палеонтологические открытия свидетельствуют о том, что на протяжении всей человеческой эволюции, во все ее периоды, от времен жизни нашего общего с приматами предка и до самых поздних времен, в каждую отдельную эпоху одновременно сосуществовали как минимум два-три очень разных вида и даже разных семейства гоминидов («куст»), и проводить прямую линию через кого-то из них к человеку пока еще рано: неизвестно, через какие точки ее проводить. Это справедливо и по отношению к эволюции других млекопитающих. Крупнейший палеантрополог современности доктор М. Лики сказал по этому поводу: «В разнообразии гоминидных останков нет ничего удивительного, потому что ранние гоминиды, ответвляясь от общего предка человека и приматов и двигаясь на двух ногах, имели возможность перемещаться в разные регионы Африки и там развиваться в новые виды».
Культурные модели и выводы антропологии. В рассмотренном изменении парадигм антропологии можно усмотреть свидетельство того, что антропология, как и вся наука в целом рассматривает свои объекты и делает из этого свои выводы под влиянием господствующих культурных моделей .
Действительно, прежнее представление о линейной эволюции человечества и всех прочих видов, держалось до тех пор, пока господствовали типичные для XIX века представления об экономическом, социальном и моральном прогрессе, растущем, как дерево, в одном направлении, — ко все лучшему и лучшему. Теперь на смену этим представлениям пришли идеи постмодернизма и мультикультурализма, провозглашающие равенство всех культур при полном отсутствии понятия «прогресса». Антропологи тоже переняли взгляд на древнюю историю человечества как на беспорядочную, хаотическую груду равноценных видов, никому из которых нельзя отдать предпочтение как единственному предку человечества; идея «многообразия равных» и «отсутствия порядка и направления» сменила идею «прогресса» в качестве бессознательной установки при интерпретации новых и старых данных. Такая трактовка развития науки в общем виде сводится к утверждению, что так называемая научная истина сама по себе не существует вообще, а есть «социальные конструкты», то есть субъективные интерпретации, которые, в свою очередь, определяются влиянием на ученых социальных и культурных стереотипов среды и эпохи. (Подобный подход впервые выдвинул Томас Кун в своей книге «Структура научных революций»).
В то же время сложный, нелинейный характер эволюции человека как вида носит объективный характер и не зависит от культурных стереотипов. Разнообразие ранних гоминидов - предков человека связано с тем, что приобретя прямохождение, далекие предки человека неминуемо должны были рассеяться в поисках новых мест обитания и новых источников пищи и тем самым приобрели шансы на разнообразие благодаря необходимости адаптироваться к новым условиям и использованию для этого случайных мутаций. Изменение наших представлений о происхождении человека говорит о том, что научная картина эволюции стала сложнее, но зато и намного реальнее [5].
Согласно разрабатываемой в настоящее время комплексной гипотезе широкого моноцентризма , человек современного типа возник где-то в Восточном Средиземноморье, где, по-видимому, был совершен последний шаг на пути к современному виду неоантропов (Homo Sapiens ). Фигура человека стала более стройной, увеличился рост. Величина головного мозга существенно не изменилась, однако произошли значительные перемены в его строении: большое развитие получили лобные доли и зоны, связанные с развитием речи и сложной, конструктивной деятельностью. После этого началось интенсивное и широкое расселение неоантропов по разным континентам. Не исключено, что при этом люди современного типа могли смешиваться с неандертальцами. Это, вероятно, было не простое вытеснение или уничтожение, а различные формы слияния, при которых происходило генетическое скрещивание пришлых и местных людей, а с точки зрения развития культуры начинала преобладать новая, прогрессивная культура кроманьонцев.
В настоящее время картина развития вида Homo Sapiens развертывается на основе палеонтологических данных с применением современных молекулярно-генетических методов. Тщательный анализ показывает, что несколько десятков тысяч лет назад численность исходной популяции Homo Sapiens была не более 5000 размножающихся пар. Затем, по-видимому, эта популяция разделилась на несколько групп, причем каждая из вновь образованных популяций в свое время проходила через так называемой «бутылочное горлышко» – период исключительно малой численности, когда число размножающихся пар могло насчитывать всего несколько десятков [2].
3. Дифференциация на расы. Расы и этносы
Все современное человечество принадлежит к единому полиморфному виду – Homo sapiens . Единство человечества основано на общности происхождения, социально-психического развития, способности к скрещиванию людей различных рас, практически одинаковом уровне общего физического и умственного развития.
Вид Homo sapiens распадается, как известно, на три большие расы: австрало-негроидную, европеоидную и монголоидную. Но, строго говоря, не все группы человечества можно разделить по трем основным стволам. Например, американские индейцы выпадают из этой классификации. Их часто относят к монголоидам, однако у них редко встречается эпикантус (складка во внутреннем крае глаза, прикрывающая слезный бугорок), а лицо с выступающим узким носом имеет такую же форму, как и у европеоидов. Поэтому их иногда выделяют в особую расу америндов. То же можно сказать об австралийцах-аборигенах. Хотя они темнокожи, волосы у них не курчавы, а волнистые борода и усы растут обильно как у европеоидов, а вот по составу крови и пальцевым узорам они оказываются ближе к монголоидам. Можно, кроме того, каждый из этих пяти стволов разделить на множество группировок, хотя такое деление будет в значительной мере условным. Так, например, известно, что среди жителей северной Европы намного чаще встречаются голубоглазые и светловолосые люди, чем среди жителей южной Европы, хотя здесь речь идет скорее о вероятности появления того или иного признака.
В результате антропологи выделяют несколько десятков человеческих рас – так называемых рас второго и третьего порядков. Точную цифру здесь назвать вообще невозможно, тем более, что многие такие группировки сливаются, исчезают или, наоборот, возникают. Это так называемые контактные группы. Например, в нашей стране около 45 млн. населения относится к переходному европеоидно-монголоидному типу. Можно даже сказать, что сейчас, в эпоху интенсивных контактов между народами и отмирания расовых предрассудков практически нет «чистых рас».
Три основных человеческих расы возникли, по-видимому, очень давно. В последнее время близость рас исследовали методами биохимической генетики. По этим данным получается, что общий предок всех рас жил около 90-92 тыс. лет назад. Именно тогда произошло разделение двух стволов – большого монголоидного (включая америндов) (см. рис.2). Коренные австралийцы проникли на свой материк около 50 тыс. лет назад и, по-видимому, по этой причине сохранили больше черт своего общего предка. Разделение европеоидов и негроидов произошло около 40 тыс. лет назад, причем долгое время они обитали совместно: на стоянке Маркина Гора вблизи Воронежа вместе с черепами кроманьонцев европеоидного типа найден череп с австралоидными чертами.
Механизм расогенеза . Известно, что существуют два основных механизма изменения генного состава (генофонда популяции) – естественный отбор и так называемый дрейф генов. При возникновении рас человека действовали оба этих механизма, но роль каждого из них в образовании того или иного признака остается дот конца не выясненной. Многие признаки имеют несомненно адаптивный (приспособительный характер), например, темная кожа и курчавые волосы негроидов. Не так все ясно с признаками европеоидной расы: светлая кожа, светлые глаза, прямые, светлые волосы – признаки рецессивные по отношению к доминантным – темной коже, курчавым и темным волосам. Поэтому вероятно допустить, что при заселении Европы малыми по численности популяциями древних людей по внешности сходных с австралоидами, в результате близкородственных браков возникали и закреплялись рецессивные гомозиготы. Сходные процессы наблюдаются и в изолированных популяциях. С другой стороны, сильно пигментированная кожа препятствует проникновению ультрафиолетовых лучей, под действием которых синтезируется витамин D, и на севере это оказывается вредным [2].
Понятие расы следует четко отличать от понятия этнос, национальность, нация, которые являются признаками социальными, а не биологическими. Грубейшая ошибка – отождествлять народы с расами . Представители разных рас могут образовывать одну нацию. Практически каждый достаточно большой народ разнороден по расовому составу. В истории известны случаи, когда расовый облик этноса в течении нескольких столетий полностью менялся .
4. Эколого-эволюционные возможности человека
С возникновением человека как социального существа биологические факторы эволюции постепенно ослабляют свое действие и ведущее значение в развитии человечества приобретают социальные факторы. Рассмотрим изменение роли основных биологических факторов эволюции.
Естественный отбор как основная и направляющая сила эволюции с переходом материи на социальный уровень развития резко ослабляет свое действие, однако не исчезает совсем (ранняя абортивность зигот, составляющая около 25% от всех зачатий является результатом естественного отбора).
Изоляция как эволюционный фактор еще недавно играла заметную роль, однако с развитием средств массового перемещения людей на планете остается все меньше генетически изолированных групп.
Волны численности еще в недавнем прошлом играли заметную роль в истории человечества. Например, во время эпидемий холеры и чумы всего лишь несколько сотен лет назад население Европы сокращалось в десятки раз. Такое сокращение могло быть основой для рада случайных процессов изменения генофонда. Теперь численность человечества не подвержена таким колебаниям.
Мутационный процесс – единственный эволюционный фактор, сохраняющий прежнее значение, в человеческом обществе. Вновь возникающие мутации постоянно меняют генотипический состав населения отдельных районов. В последнее время мутационный процесс в ряде районов нашей планеты может несколько повышаться за счет локального химического и энергетического загрязнения биосферы. Создавая и поддерживая разнообразие, мутации, в то же время являются крайне опасными из-за ослабления естественного отбора. Рождение неполноценных детей, передача неполноценных генов – все это реальные опасности на современном этапе развития общества [3]. Здесь человечество сталкивается с огромной нравственной проблемой. Единственный приемлемый выход видится в развитии генной инженерии, которая даст возможность исправлять поврежденные геномы.
Человечество изменятся и сейчас, причем особенно распространены процессы грацилизации и акселерации. Грацилизация – снижение общей массивности скелета – связана в основном с тем, что человек все меньше занимается физической работой. Параллельно идет процесс акселерации – ускорение развития всего организма. Теперь у грудных детей раньше удваивается масса. На год раньше, чем в прошлом веке, молочные зубы сменяются на постоянные. За последние 100 лет подростки 14 - 16 лет стали почти на 20 см выше. Все эти изменения идут параллельно у представителей разных рас. Сами же расы постепенно теряют характерные для них наборы признаков . Это объясняется тем, что все больше и больше людей как бы изолируется от внешней среды. Так сейчас более трети населения живут и работают в одинаковых условиях при «комнатной» температуре. В таких условиях расовые признаки перестают быть адаптивными, и отбор практически не действует.
5. Биосоциальные основы поведения
Этот вопрос в сущности, сводится к следующему: рождается ли человек «безморальным», и только воспитание прививает ему принципы морали, или же человек появляется на свет с каким-то набором врожденных чувств и представлений о том, что хорошо, и что плохо. Нельзя сводить целиком человеческую мораль к врожденным программам (редукционизм), поскольку она продукт длительного социального развития, культуры (в том числе – религии), однако следует признать, что многие признаки, присущие человеку, генетически обусловлены. Эти поведенческие признаки рассматриваются в настоящее время с позиций биоэтики.
Биоэтика, или сложные поведенческие программы, присущие животному миру, рассматриваются как естественное обоснование человеческой морали. Поведение животных рассматривается в рамках специальной науки – этологии . Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.
Впервые глубокий анализ поведенческих программ животных провел в своей книге «Агрессия» выдающийся австрийский этолог Конрад Лоренц. К. Лоренц рассматривает мораль животных как создание естественным образом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в определенных случаях, возникающих при общении с себе подобными. То есть в тех случаях, когда проявление инстинкта может оказаться вредным, вводится в действие механизм его торможения. Интересно, что аналогичным образом происходит и культурно-историческое развитие человеческого общества. Действительно, важнейшие требования моральных заповедей в большинстве своем не предписания, а запреты.
Врожденные запреты создаются под жестоким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие:
1) «не убей своего»,
2) «нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки» – этот запрет непосредственно вытекает из предидущего;
3) у хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими (у «слабо вооруженных природой» существ, к которым относится и человек, этот врожденный запрет развит плохо).
4) «нельзя бить того, кто принял позу покорности» – этот запрет также более всего выражен у сильно вооруженных животных (в основном хищников). Более слабое, проигравшее в схватке животное останавливает победителя, подставляя ему самое уязвимое место. (Сходная ситуация встречается у людей – «на бей!»).
5) «победа с тем, кто прав»; животное, защищающее свою территорию, свою нору, самку, детенышей, чаще выигрывает в конфликте даже у более сильного и агрессивного соперника. Это происходит не только потому, что противник заранее психически ослаблен. Его агрессивность также сдерживается запретом. Аналоги этого запрета в человеческом обществе – неприкосновенность жилища, личной жизни и имущества.
Разумеется, у животных возможны и сбои, поломки этого врожденного механизма. Такое животное, по существу, «выродок» становится опасным для своих сородичей.
К. Лоренц пишет, что можно лишь пожалеть, что человек не имеет «натуры хищника», поскольку большая часть опасностей, которые ему угрожают, происходят от того, что по натуре он сравнительно безобидное и всеядное существо, и у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить крупное животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают сильных животных от применения оружия против сородичей.
Контрольные вопросы
1. Как иммунология и биохимия помогают установить родство человека с другими видами отряда приматов?
2. Можно ли сказать, что человекообразные обезьяны являются предками человека? Поясните Ваш ответ.
3. Перечислите основные доказательства единства происхождения человечества.
4. Правильно ли такое понимание человеческой эволюции, когда каждый предыдущий вид наших предков дает начало следующему виду, а тот следующему, пока дело не доходит до современного человека? Поясните Ваш ответ.
5. Изложите гипотезу широкого моноцентризма.
6. Опишите кратко историю формирования рас.
7. Объясните понятия расы, этноса, нации. Какие понятия связаны с биологическими особенностями, а какие - с социально-культурными?
8. Как проявляются факторы эволюции по отношению к человечеству в настоящее время? Какие эволюционные факторы при этом наиболее существенны?
9. В чем заключаются процессы грацилизации и акселерации?
10. Что такое биоэтика?
11. Что изучает этология?
12. Что подразумевается под биосоциальными основами поведения человека?
13. Что такое «мораль животных»?
Литература
1. Общая биология //под общей ред. акад. В.К. Шумного, проф. Г.М. Дымшица, проф. А.О. Рувинского, 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995.
2. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.
4. Концепции современного естествознания. /под ред. проф. С.А. Самыгина, 1. - Ростов н/Д: "Феникс", 1999.
5. Вартбург М. Чьи же мы потомки, в конце-то концов? - «Знание — сила», 2001, № 10.
6. Ефремов К. СЕНСАЦИЯ! Найден предок человека. -«Знание — сила», 2001, № 6.
7. Силкин Б. Наше генеалогическое древо сотрясается -«Знание — сила», 2001, № 6.
Лекция 21. Биосфера и цивилизация
| 1. Биосфера и место человека в биосфере 2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы 3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы Контрольные вопросы |
1 . Биосфера и место человека в биосфере
Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г., однако первые представления о биосфере складывались уже в начале 19 в. Эти первые представления были, в частности, отражены в работе «Гидрология» Ж.Б. Ламарка (1802). не пользуясь понятием «биосфера, он писал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. немецкий ученый Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Считается, что наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах отечественного естествоиспытатели и философа В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в котором ученый изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:
биосфера – это целостная организованная система живого вещества;
все явления в ней – часть единого механизма биосферы;
живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.
Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосчферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни . Биосфера в своем естественном состоянии – это монолит жизни.
Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).
Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×1012 т, причем основная ее часть (более 99%) образована наземными животными, растениями и организмами. Биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных организмов.
Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза .
Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии . Э.Геккель, впервые применивший этот термин (<греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука ) определил экологию как «..познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование» . В результате деятельности человека экология, дифференцируясь на множество самостоятельных наук, все больше приобретает политический и социальный оттенок, включая в себя вопросы права, экономики, социологии, технологии и др.
Связи между компонентами биосферы. Биосфера выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов.
Понятие о трофической цепи . Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами . Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. их называют поэтому гетеротрофами , что означает «питаемый другими» или консументами (потребителями).
Травоядные животные - консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами , или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО2 и минеральных удобрений. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия (см. рис. 1).
Экологические факторы. Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.
Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития . Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).
(Существуют и другие классификации экологических факторов, например, зависящие от численности тех или иных организмов и не зависящие, постоянно действующие или периодические).
Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:
климатические:
солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;
химические:
газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;
эдафогенные
, или почвенные
: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;
орографические
(< греч. гора): высота над уровнем соря, рельеф, экспозиция склона.
Биотические факторы . Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие . Они могут быть, в свою очередь, подразделены на
фитогенные:
влияние растительных организмов;
зоогенные:
влияние животных организмов;
микробиогенные:
вирусы, простейшие, бактерии;
антропогенные:
деятельность человека.
Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой исбирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).
Типы взаимоотношений между животными весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.
1. «Хищник – жертва», т.е. непосредственное преследование и пожирание одних видов другими.
2. Комменсализм - взаимоотношение, когда один вид питается остатками пищи другого.
3. Синойкия – использование одними животными нор и гнезд других.
4. Нейтрализм – взаимонезависимость совместно обитающих видов.
5. Протокооперация – совместное гнездование нескольких видов птиц, способствующее защите от хищников.
6. Интерференция – ненамеренное подавление одного вида другим.
Лимитирующие факторы . В 1840 г. химик – органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяет недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.
Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора» , или «закона толерантности» (толерантность = терпимость ). Действие закона толерантности проиллюстрировано на рис. 2.
Экологическая ниша. Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его рапространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест.
В настоящее время одним из важнейших биотических факторов является антропогенный фактор.
2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы
Человек появился в ходе эволюции биосферы. Он – ее элемент. Появление разума, по-видимому, закономерный этап в развитии живой материи, коренной перелом в ее эволюции, ибо она получила способность мыслить и познавать себя. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время Природа справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и сохраняла равновесие. В настоящее время деятельность человека стала соизмеримой с силами Природы и она уже не способна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем, к которым относятся проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Рассмотрим эти проблемы подробнее.
1. Рост народонаселения . Сейчас на Земле – 5,5 млрд. человек. В 20-м веке темп роста народонаселения резко увеличился и только за последние 40 лет человечество выросло более чем в два раза. Если рассматривать темы роста человечества за всю его историю, то четко прослеживается экспоненциальный характер зависимости численности населения от времени (см. рис.3). В настоящее время появились тенденции к сокращению темпа роста населения (пунктирная кривая), однако он все еще продолжает оставаться высоким. По прогнозам демографов, к 2025 г. на Земле будет от 7,6 до 9,4 млрд. человек. Основная доля прироста населения приходится и будет приходится на развивающиеся страны. такой рост населения приведет к еще большему давлению человечества на ОС и, по-видимому, еще больше обострит существующие на сегодняшний день экологические проблемы. Дело в том, что у всех живых организмов существуют пределы роста, обусловленные т.н. экологической емкостью территорий, и человек не является исключением. Каковы эти пределы для человека? К настоящему времени разработаны так называемые ресурсная и биосферная модель мировой системы. По ресурсной модели население Земли не должно превышать 7,0 –7,5 млрд. человек, а по биосферной – 10 млрд.
2. Изменение состава атмосферы. На первом месте среди загрязнителей атмосферы стоит энергетика (80). Энергетика – основа цивилизации и без производства достаточного количества энергии человечество не сможет существовать и развиваться. Сегодня главный производитель энергии – теплоэлектростанции (ТЭС), их доля в общем производстве энергии составляет около 63%. Доля ГЭС составляет около 20%, доля АЭС – около 17%. Существенную роль в загрязнении атмосферы играет транспорт и выбросы промышленных предприятий. Вносят свою лепту и лесные пожары, до 95% которых обусловлено человеческой неосторожностью. Загрязнение атмосферы, в свою очередь порождает такие проблемы, как парниковый эффект и потепление климата, истощение озонового слоя, закисление природных сред.
Парниковый эффект . Ежегодно в атмосферу выбрасывается 1,5 млрд. т аэрозолей (пыль, дым, туман), миллиарды тонн СО2 и СО. Углекислый газ пропускает к Земле тепло Солнца, но хуже пропускает в космос тепло Земли. Аналогично влияние метана, который также выбрасывается в атмосферу. Результат – повышение температуры на Земле (потепление). За последние 100 лет оно составило 0,5 – 0,6о С. Это приводит к усилению процессов опустынивания и повышению уровня Мирового океана.
Закисление природных сред. Выбрасываемые в атмосферу диоксиды серы и азота доокисляются в атмосфере и, растворяясь в воде, образуют серную и азотную кислоты, выпадая затем на землю с дождем, снегом, туманом. Кислотные дожди губительны для растений, лесов и рыбных водоемов. Попадая на почву, они вызывают повышение ее кислотности, что нарушает жизнедеятельность микроорганизмов.
Истощение озонового слоя . Как было сказано ранее, озоновый слой находится на высоте 20 – 25 км над поверхностью Земли и защищает нас от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. В последние годы наблюдается циклический процесс снижения концентрации озона в приполярных областях (вначале над Антарктидой, а затем и в северном полушарии). Это явление получило название «озоновых дыр». Оно носит сезонный характер, до сих пор нет четкого описания его механизма. Главными «виновниками» разрушения озонового слоя на сегодняшний день считаются хлорфторуглероды (ХФУ), которые используются в холодильной промышленности (фреон) и в производстве аэрозолей. Они разлагаются с выделением атомов хлора, которые ускоряют превращение озона в молекулярный кислород О2 .
Истощение ресурсов . Среди разнообразных ресурсов нашей планеты в рамках этой лекции отметим леса – одно из величайших богатств Земли. На протяжении последних 50 лет наблюдается уменьшение площади лесов на 1-2% ежегодно, а за последние 200 лет их количество уменьшилось вдвое. Особенно быстро идет разрушение тропических лесов, в которых сосредоточено до 60% существующих видов растений и животных. Этот процесс чрезвычайно опасен еще и потому, что тропические леса Амазонки, Юго-Восточной Азии, а также леса Сибири называют легкими планеты – настолько велик их вклад в образование атмосферного кислорода.
Истощение грозит и водным ресурсам планеты. Потребление воды постоянно растет, однако использование и охрана водных ресурсов далеки от оптимальных решений. Так, большой отбор воды на орошение из рек Средней Азии привел к катастрофе Аральского моря. Соль со дна высохшего моря разносится ветром на сотни километров, вызывая засоление почв. За последние годы высохли сотни естественных водоемов Приаралья. Подобные проблемы существуют и на других территориях. Беспокойство вызывает загрязнение водоемов сточными водами – отходами промышленных предприятий. Из-за аварий танкеров и нефтепроводов в ОС ежегодно попадает более 5 млн. тонн нефти. Нефтяные пленки, кроме прямого вреда, замедляют обмен гидросферы и атмосферы, что приводит к гибели жизни в океане.
Несовершенство сельскохозяйственной технологии ведет к сокращению площадей плодородных земель. Распаханный плодородный слой смывается сточными водами и сильно развеивается ветом, если вспашка произведена с переворотом пласта. Распашка обширных степных земель в СССР и США стала причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров плодородных земель.
Огромные отрицательные последствия для ОС связаны с военной активностью. Здесь сказывается разрушительное влияние как непосредственно военных действий, так и гонки вооружений, сопряженной с изготовлением и хранением химически, биологически и энергетически опасных веществ.
В этих условиях биосфера стала утрачивать свои компенсационные свойства и не успевает залечивать раны, наносимые ей. Выход из экологического кризиса видится в реализации понятия «ноосфера» , введенного В.И. Вернадским для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью . Главные компоненты ноосферы – это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему, так как человечество не может отказаться от научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Общий подход к решению экологических проблем – достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. к таким программам можно отнести сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, поиск новых, более «чистых» источников энергии и т.п.
3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы
Основная проблема, связанная с загрязнением окружающей среды, обусловлена термодинамическими ограничениями, заложенными в самой природе. Причины загрязнения ОС можно свести к следующим.
1. Неэффективное использование энергии, либо использование так называемых «деградированных форм энергии» для получения энергии более высокого качества, что требует привлечения огромных мощностей. Потребляя запасенную в природных структурах энергию нефти, газа и угля, человек вносит в биосферу хаос и разрушает ту упорядоченность (энергию химических связей высокомолекулярных соединений), которую создала свободная энергия солнечного излучения.
2. Рост мощностей для удовлетворения растущих потребностей современного общества.
Первые две причины объясняют, почему самой разрушительной по своему воздействию на природу из всех областей человеческой деятельности является энергетика.
Следующие причины связаны с предыдущими, однако, они не носят абсолютного характера и являются субъективными, т.е. зависящими от сознания и воли людей.
3. Использование неэффективных преобразователей энергии.
4. Нежелание поставщиков энергии перерабатывать вторичные продукты.
Действие этих причин можно значительно ослабить на путях научно-технического прогресса, хотя это требует значительных средств и определенной перестройки общественного сознания.
Из рассмотренного ранее вопроса о термодинамике живых систем следует, что негэнтропия, т.е. отрицательная энтропия, одной из составляющих которой является высококачественная энергия, необходима как в качестве фундамента жизни, так и для обеспечения производственной деятельности человечества. Негэнтропия является необходимым условием существования направленных процессов и образования упорядоченных структур. Для того, чтобы не возникало противоречий между деятельностью человека и объективными тенденциями развития материального мира, человек должен научиться правильному использованию запасов негэнтропии . А эта задача связана, прежде всего, с оптимальным выбором источников энергии.
В течение долгого времени традиционные источники негэнтропии – непосредственно солнечное излучение и его опосредованные формы: падающая вода, сила ветра приливов и отливов, природные топлива – поставляли человеку все необходимые для определенного уровня развития общества блага. Оптимальное расстояние от Земли до Солнца – этого гигантского термоядерного реактора обусловило возникновение и развитие жизни на нашей планете.
Обычно показателем технического развития общества служит количество потребляемой в единицу времени (обычно за год) энергии DE(t). Однако, из вышесказанного следует, что правильнее было бы оценивать потребление негэнтропии, исходя из реально возможных запасов негэнтропии. Это означает, что необходимо использовать объективные критерии научно-технического прогресса наряду со степенью истощения природных ресурсов и загрязнения ОС.
Из второго начала термодинамики следует, что любая машина теряет энергию, однако, можно использовать наиболее эффективные источники энергии, например, гравитационную энергию (энергия приливов, водопадов) для преобразования ее в электрическую. ( В настоящее время доля этих источников энергии в экономике индустриально развитых стран не превышает 8%). Хотя процесс деградации энергии неизбежен, 2-е начало не запрещает с помощью внешней работы преобразовывать продукты деградации в менее опасные. При этом возникает потребность в разработке и строительстве специальных устройств для переработки отходов, при этом важную роль должна сыграть информация, которая поддается преобразованию и «усилению». Дело в том, что даже деградированные формы массы (вещества – побочных продуктов, продуктов разложения) и энергии могут принять участие в процессах по организации информации. Примером такого организующего эффекта деградированных форм энергии и массы является генетическая мутация, получившая название «индустриальный меланизм». В загрязненной среде мутанты обладают наибольшими шансами на выживание. Загрязнение изменило характер многих экосистем, распределение живых организмов стало зависеть от характера загрязнения, а это тоже информация. Проблема в том, как оптимально использовать эти явления и управлять ими. В настоящее время информационный подход эффективно используется в системе экологического мониторинга – автоматизированного слежения и контроля параметров окружающей среды.
Роль информатизации общества . Энергетические затраты на производство информации невелики по сравнению с выигрышем, получаемым в энерго- и материалоемких процессах, управляемых с ее помощью. Это ярко проявляется в ходе так называемой информационной революции нашего времени. Так всего за три десятилетия быстродействие ЭВМ выросло более чем в 200 раз и продолжает расти, на несколько порядков вырос объем машинной памяти, причем предел эффективности ЭВМ еще далеко не достигнут. В то же время, не оправдались надежды на переход к так называемым безбумажным технологиям благодаря введению электронного документооборота. Наоборот, во всем мире расход бумаги резко возрос, что, безусловно, усиливает негативные воздействия на окружающую среду.
Разнообразие и устойчивость . Для самопроизвольно развивающейся экологической системы существует тенденция к усложнению, к вытеснению низкоорганизованных видов высокоорганизованными. Это проявляется в виде экологической сукцессии : пустое поле зарастает сначала сорняком, потом – цветами, кустарниками, деревьями, которые становятся все более разнообразными по видам. Система стремится к своему наиболее зрелому состоянию – климаксу . Экосистемы приобретают более длинные цепи питания, и взаимосвязи внутри системы усиливаются. Энергия в таких системах используется наиболее эффективно, так как все составляющие ее части оптимально «подогнаны» друг к другу. Таким образом, наиболее устойчивы те системы, которые состоят из максимального числа видов. Это относится и к человеческому обществу, разнообразие которого – залог его устойчивости и развития [2].
Контрольные вопросы
1. Когда начали формироваться представления о биосфере?
2. Кто автор термина «биосфера»?
3. Что такое биосфера?
4. Чем ограничена биосфера?
5. Что изучает экология?
6. Что такое трофическая цепь?
7. Поясните роль продуцентов, консументов и редуцентов в экологической системе.
8. Что такое экологический фактор. На какие категории они подразделяются?
9. Перечислите основные абиотические факторы.
10. Перечислите основные биотические факторы.
11. Назовите и объясните основные типы взаимоотношений между животными в биоценозе.
12. Сформулируйте закон Либиха.
13. Что такое лимитирующие факторы? Поясните.
14. Дайте определение экологической ниши.
15. Назовите основные глобальные экологические проблемы.
16. Что такое «парниковый эффект» и что является его причиной?
17. Какова роль озонового слоя?
18. В чем заключается опасность хлорфторуглеводородов?
19. Опишите кратко механизм образования «кислотных дождей».
20. В чем заключается опасность вырубки влажных тропических лесов?
21. Объясните понятие «ноосферы».
22. Как объяснить загрязнение ОС с позиций термодинамики?
23. Может ли деградированная энергия стать источником организации информации? Поясните.
24. Что является главным источником негэнтропии на Земле?
25. Как связаны разнообразие в экологической системе и ее устойчивость?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.: Высшая школа, 1988.
Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
| 1. Микробиология Контрольные вопросы
|
Микробиология - это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли) - х систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, распространение и роль в круговороте веществ в природе, практическое значение.
Возникновение и развитие микробиологии. Начало микробиологии связывают с именем голландского исследователя А. Левенгука (16321723), который впервые увидел бактерии и дрожжи, рассматривая с помощью изготовленных им микроскопов зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Однако, подлинным творцом микробиологии как науки был Л. Пастер, выяснивший роль микроорганизмов в брожении (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни - бешенства. Работы Пастера послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей микробиологии в России С. Н. Виноградским, открывшим хемоавтотрофные микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ атмосферы за счёт энергии окисления неорганических веществ и бактерии, разлагающие целлюлозу в аэробных условиях. В развитии медицинской микробиологии важная роль принадлежит Р. Коху, открывшему возбудителей туберкулёза и холеры и предложившему плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов. Существенный вклад в развитие медицинской микробиологии и иммунологии внесли Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР - И. И. Мечников, Л. А. Тарасевич, Д. К. Заболотный, Н. Ф. Гамалея.
Развитие микробиологии и потребности практики привели к обособлению ряда разделов микробиологии в самостоятельные научные дисциплины, в частности, такие как:
1. Общая микробиология изучает фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов.
2. Техническая, или промышленная микробиология, задачей которой является изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений, а также получение путём микробиологического синтеза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п.
3. Сельскохозяйственная микробиология, которая выясняет состав почвенной микрофлоры, её роль в круговороте веществ в почве, а также её значение для структуры и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В ее задачу входят также изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми - вредителями, методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами.
4. Геологическая микробиология, объектом изучения которой является роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Результатом прикладных исследований в этой области являются методы получения (выщелачивания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий.
5. Водная микробиология изучает количественный и качественный состав мик- офлоры солёных и пресных вод и её роль в биохимических процессах, протекающих в водоёмах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод.
6. Медицинская микробиология исследует микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и разрабатывает эффективные методы борьбы с ними.
Следует отметить, что если ранее к объектам изучения микробиологии относили также и вирусы, то в настоящее время своеобразие строения и размножения вирусов, а также применение специальных методов их исследования привели к возникновению вирусологии как самостоятельной науки, не относящейся к микробиологии.
В наши дни микробиология бурно развивается. Существуют три основных причины такого развития:
· благодаря успехам физики, химии и техники микробиология получила большое число новых методов исследования
· начиная с 40х гг. 20 в. резко возросло практическое применение микроорганизмов.
· микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др.
Успешное развитие современной микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органном и молекулярном уровнях. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроскопической техники. Так, в СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.
Для изучения обмена веществ и химического состава микроорганизмов получили распространение различные методы физикохимической биологии: хроматографии, массспектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез. С помощью электронного микроскопа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).
Широкое распространение получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие культуры, т. е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся изменением их физиологии. Примером может служить тот факт, молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами. Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.
Практическое значение микробиологии. В настоящее время весьма велика роль прикладных исследований в области микробиологии. Еще в глубокой древности, за несколько тыс. лет до возникновения микробиологии как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при силосовании кормов, мочке льна.
Микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины 19 в. до 40х гг. 20 в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые связаны с появлением нового поколения оборудования и аппаратуры. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена.
Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и сельскохозяйственные растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов.
Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности нитрагина, приготовляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками - вредителями сельскохозяйственных растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов.
Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных.
Известно, что деление микроорганизмов на полезных и вредных условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлазой). В то же время эти же микроорганизмы разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани и т.д. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний.
Микроорганизмы используются, когда возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль мик- оорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).
2. Инженерная энзимология
Инженерная энзимология - это новое научнотехническое направление, появление которого связано с необходимостью интенсификации биотехнологических процессов.
Задачи инженерной энзимологии - конструирование органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся в них.
Термин "заданные свойства" имеет в виду, что эти свойства задаются практическими потребностями в данном катализаторе, условиями проведения ферментативного процесса, специфичностью, необходимой производительностью и т.д.
Инженерная энзимология основана на принципах органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии и со времени своего зарождения целиком обращена к практике.
Хотя основная направленность современной инженерной энзимологии - спользование каталитической активности иммобилизованных (см. ниже) ферментов и клеток, ее рамки гораздо шире. Цель этой дисциплины - ботка научных основ применения ферментных катализаторов для создания новых биотехнологических производств, новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе и др., а также решение фундаментальных проблем энзимологии при помощи иммобилизованных ферментов.
Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:
· получением нового продукта;
· улучшением качества известного продукта;
· повышением экономичности биотехнологического процесса.
Иммобилизованные ферменты.
Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - щевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:
· трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;
· нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов;
· высокой стоимости чистых ферментных препаратов.
Создание биокатализаторов нового поколения - ммобилизованных, т.е. связанных ферментов открыло перед прикладной энзимологией новые перспективы.
Иммобилизация фермента - это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какуюлибо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь (это установлено еще в 1916 г. Дж. Нельсоном и Е. Гриффином). В 1959 г. был применен принципиально новый методический прием - ковалентное связывание. С этого времени и ведется целенаправленная разработка гетерогенных катализаторов на основе ферментов.
Иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества. Так, например, они легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.
Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.
Применение иммобилизованных ферментов.
Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:
1. Анализ различных веществ, в качестве лечебных средств и биокатализато- ов для использования в биотехнологических производствах.
2. Лечебные средства. Такие средства применяются либо в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нару- ений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма. Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.
3. Применение в различных производствах. Иммобилизованные ферменты широко используются в бумажной, текстильной, химической и фармацевтической промышленности, а также для обработки сточных вод.
3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика
3.1. Генная и клеточная инженерия
Двадцать первый век часто называют веком биологии, имея в виду, что прикладное значение открытий, сделанных за последние десятилетия в биологии, и, в первую очередь, в таких науках как генетика и молекулярная биология. Последние, в свою очередь, являются теоретической основой для таких прикладных дисциплин как генная и клеточная инженерия.
Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК - это изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала - основного наследственного вещества клеток. Известно, что хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть. Фактически генная инженерия занимается тем, что берет гены и части ДНК одного вида, например, рыбы, и пересаживает их в клетки другого, на- мер, помидора. Для этого генная инженерия располагает набором различных технологий для того, чтобы разрезать ДНК произвольно или в определенных участках гена. Выделив сегмент ДНК, можно его изучать, размножать или склеивать с ДНК других клеток и организмов. Генная инженерия позволяет преодолеть межвидовые барьеры и перемешивать информацию между абсолютно не связанными между собой видами.
В настоящее время научились уже переносить гены от одного животного к другому и от животного к растениям. Получены "трансгенные" мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК можно прямо инъецировать в оплодотворенное яйцо вида- еципиента, или можно использовать в качестве переносчика вирус, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная "генная пушка", выстреливающая ДНК прямо в листья растений.
Практическое применение генной инженерии. Современные технологии позволяют синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бакте- , получают ряд весьма важных биологических веществ. Их производство составило важную отрасль биотехнологии.
Методом генной инженерии уже получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомымвредителям и гербицидам.
Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости.
Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе.
В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.
Генная терапия. В последнее десятилетие в биомедицинскую практику вошло понятие генной терапии. Под генной терапией понимается комплекс методов, позволяющих вводить "лечебные" гены в клетки живого организма для компенсации существующих и профилактики возможных патологических процессов.
В настоящее время проводятся широкие клинические испытания генотерапевтических подходов в лечении таких заболеваний, как рак, иммунодефицит и др. Эту деятельность следует приветствовать и поддерживать, чтобы, если вы, к несчастью, не имеете "хороших" генов от рождения, в один прекрасный день смогли бы купить их в ближайшей аптеке [6].
Но есть и оборотная сторона медали. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие "генная инженерия" породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Мно- гие опасаются, например, что какойнибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что фрагмент ДНК, несущий ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют.
В современной генной терапии в ряде случаев в качестве векторов для доставки генов используются модифицированные вирусы, которые в естественных условиях в ходе инфекции используют клетки организма для саморепликации, что в итоге приводит к раз- ушению зараженных клеток и высвобождению миллионов копий исходного вируса.
В естественных условиях борьбу с вирусами осуществляет система иммунитета, которая узнает зараженные клетки и уничтожает их еще до образования вирусного потомства. В генной терапии вирусы модифицируются таким образом, что они теряют способность к размножению в клетках организма. В их геноме исключается некоторый участок, существенный для репликации вируса. Вместо него вставляется "лечебный" ген. Такой вирус способен проникать в клетки и обеспечивать экспрессию гена, ответственно- го за терапевтический эффект, при этом не происходит размножения вируса и, следовательно, разрушения клетки. Тем не менее, иммунная система воспринимает такие клетки как чужеродные и уничтожает их. С этим связана одна из основных проблем современной генотерапии, так как для устойчивого терапевтического действия введенного гена необходима его длительная экспрессия. Поэтому усилия многих научных лабораторий направлены на преодоление этого иммунного барьера. С этой целью в геном вируса вводятся дополнительные гены, продукты которых обладают иммуносупрессивным, т.е. подавляющим иммунитет действием. Придание иммуносупрессивных свойств вирусным векторам также важно в генной терапии аутоиммунных заболеваний, в частности такого, как ревматоидный артрит.
Опасности генной терапии связаны с попаданием таких модифицированных вирусов в природную среду. При этом существует вероятность обмена генетической информации с вирусом дикого типа, что приведет к образованию нового вируса, способного разрушать клетки организма - вируса, который остается "невидимым" для иммунной системы. Если представить, что такой вирус будет передаваться воздушнокапельным путем, а симптомы будут проявляться только через период времени, в течение которого невозможно осуществлять тотальный карантин (например, один месяц), то последствия для человечества и биосферы могут стать катастрофическими.
Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.
3.2. Евгеника
Развитие генетики привело к рождению "евгеники" - учения о средствах, путях и условиях изменения наследственности человека и создания более совершенных его ка- еств.
Понятие "евгеника" ввел в 1883 г. пионер математической статистики Фрэнсис Гальтон (18221911), применив идею отбора своего кузена Чарльза Дарвина к человеку. "Евгеника есть наука, которая занимается всеми влияниями, улучшающими качества расы", - сал он в книге "Исследования человеческой способности и ее развития", - говорил о расах животных, растений, особенно человека. Надо оговориться, что наукой евгеника все же не стала: она была движением, в том смысле, как мы говорим о зеленом или феминистическом движении, - ногда с сильным и качественным научным моментом В Британии евгеника дала основу математической генетике популяций, в России - основу генетике человека и медицинской генетике и косвенно экспериментальной генетике популяций. На основе положений евгеники в ряде стран, например, во Франции, проводились мероприятия, направленные на охрану материнства и детства. В то же время, именно "евгенисты" дали рациональное обоснование "акту Джонсона" - систскому закону США 1924 г. об ограничении иммиграции из Европы "низших рас", особенно цыган и ев- еев.
Следует отметить русское евгеническое движения, существовавшего в 19201930 гг. Обсуждение возможностей евгеники, совпавшее по времени со стартом и быст- ым развитием генетических исследований в России, шло в рамках мощных традиций русской медицины и биологии. Возглавлявшие движение видные российские биологи Ю.А. Филипченко (18821930) и Н.К. Кольцов (18721940) обладали достаточным влиянием для поддержания в этом движении высоких научных стандартов и этических норм. Ев- геническая программа Филипченко, включавшая изучение наследственности человека путем анкетных обследований, генетическое и евгеническое просвещение, подачу советов евгенического характера. В контексте сегодняшних представлений она должна быть определена как медико- генетическая программа.
Н.К.Кольцов широко понимал евгенику и включал в нее составление генеалогий, географию болезней, витальную статистику, социальную гигиену и ряд социологических тем, но прежде всего - нициированные и руководимые им исследования генетики психи- еских особенностей человека, типов наследования цвета глаз и волос, биохимических показателей крови и групп крови, роли наследственности в развитии эндемического зоба, обследование монозиготных близнецов. В евгенических докладах и статьях Кольцов постоянно подчеркивал роль биологического разнообразия и желательность разветвленных открытых полииерархических систем, биологических и социальных. Поэтому то, чем он занимался, говоря о евгенике, нельзя назвать собственно евгеникой (в указанном вы- е смысле). Напротив, у нас есть все основания утверждать, что Кольцов выдвинул программу исследований в области генетики человека.
В наши дни, в контексте проекта изучения генома человека и техники генной инженерии, позитивная евгеника получила иной смысл: предполагаемая (в будущем) пересадка генов ради повышения физических и умственных способностей, теперь уже любого человека. Отношение к перспективам новой позитивной евгеники стало одной из трех основных тем обсуждения на генетической части Симпозиума по социальным и этическим последствиям проекта "Геном человека" в Национальном институте здоровья США в 1991 г. Следует помнить о том, что осуществление подобных технологий пока весьма проблематично, так как механизмы включения генов у человека остаются загадкой. Известно, что сдвиг по одному наследственному признаку влечет за собой изменение широкого спектра коррелированных, т.е. связанных с ним признаков [7].
Таким образом, следует различать естественнонаучную основу евгеники, т.е. законы генетики и философскосоциологическую надстройку. Эта надстройка может быть как гуманистической, так и реакционной, антигуманной, обслуживающей идеи фашизма, расизма.
3.3. Клонирование
Проблема клонирования животных по своей сенсационности и социальной значимости стоит в настоящее время в центре внимания не только специалистов в области биологии, но и широкой общественности и постоянно освещается в средствах массовой информации. При этом чаще всего приходится встречаться как с неоправданным оптимизмом, так и с крайним пессимизмом и неприятием исследований в этой области. Как отмечает ряд авторов, и то и другое, в первую очередь обусловлено некомпетентностью лиц, представляющих в СМИ соответствующую информацию.
Прежде всего надо определить, что следует понимать под клонированием животных и что такое клон. По принятому в науке определению клонирование является точным воспроизведением того или иного живого объекта в какомто количестве копий. Эти копии и называются клоном. Вполне естественно, что все эти "копии" должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести идентичный набор генов. В ряде случаев получение клона животных не вызывает особого удивления и является рутинной процедурой, хотя и не такой уж простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза, т.е. бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые будут развиваться из потомков той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. У нас в стране, например, блестящие работы по клонированию такого рода выполняет на шелкопряде с помощью разработанной им специальной методики академик В.А. Струнников. Выведенные им клоны шелкопряда славятся на весь мир. В то же время ему удалось установить, что отдельные особи в пределах определенного клона не идентичны, но отличаются друг от друга, и порою весьма существенно. В ряде клонов это разнообразие бывает большим, чем в генетически разнообразных популяциях.
В эмбриологии тоже известны методы получения клонов. Если зародыша морского ежа на стадии раннего дробления искусственно разделить на составляющие его клетки - бластомеры, то из каждого разовьется целый организм. В ходе последующего развития зародышевые клетки теряют эту замечательную способность и становятся все более и более специализированными. Можно также использовать ядра так называемых стволовых эмбриональных клеток от какогонибудь конкретного раннего эмбриона, которые еще не являются очень специализированными (таковым будет их потомство). Эти ядра пересаживают в яйцеклетки, из которых удалено собственное ядро, и такие яйцеклетки, развиваясь в новые организмы, опятьтаки могут образовать клон генетически идентичных животных.
У человека известны случаи своеобразного "естественного" клонирования - это так называемые однояйцевые близнецы, которые возникают благодаря редко встречающемуся естественному разделению оплодотворенной яйцеклетки на два отделяющихся друг от друга и в последующем самостоятельно развивающихся бластомера. Такие близнецы (их принято называть монозиготными) очень похожи друг на друга, но не идентичны, т.е. точными копиями друг друга не являются!
Острые же споры и дискуссии вызывает клонирование другого рода, а именно получение ряда точных копий того или иного взрослого животного, "прославившегося" какимито своими выдающимися качествами (например, рекордные надои молока, высокий настриг шерсти и т.д.), а также ученого мужа или политика или артиста, особо ценного для человечества в силу его, скажем, гениальности. Вот тутто и возникают весьма и весьма большие сложности, включая этические и социальные проблемы, в которых следует разобраться.
Специалисты отмечают невозможность получения таких абсолютных копий по ряду причин. Дело в том, что В ходе индивидуального развития организма происходят изменения в его ядрах - одни гены активно работают, другие - не активны и "молчат". И чем организм более специализирован, чем выше ступенька эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изменения глубже и тем труднее обратимы. У некоторых организмов, например у известного кишечного паразита аскариды, генетический материал в будущих зародышевых клетках остается неизменным в ходе развития, а в других, соматических, клетках выбрасываются целые большие фрагменты ДНК - носителя наследственной информации. В красных кровяных шариках (эритроцитах крови) птиц ядра "сморщиваются" в маленький комочек и не "работают", а потому из эритроцитов млекопитающих, стоящих эволюционно выше птиц, вообще выбрасываются за ненадобностью. И, следовательно, встает вопрос: способны ли ядра соматических клеток полностью и эквивалентно заменить ядра зародышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша?
Кроме того, условия развития зародыша в матке разных приемных матерей будут существенно различаться, а значит, и точных копий уже не будет получено! Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолены, клонирование человека абсолютно исключается.
Для того, чтобы получить положительный результат при клонировании человека (как и другого высшего животного) необходимо трансплантировать развивающиеся яйцеклетки с чужеродными ядрами нескольким тысячам приемных матерей, поскольку процент положительных исходов крайне низок и, скорее всего, его не удастся повысить. Что же будет с остальными зародышами? Большая часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Такая технология представляется преступной, а потому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные.
Вместе с тем существует и другая точка зрения, которая была высказана в Декла- ции в защиту клонирования и неприкосновенности научных исследований, подписанной рядом крупнейших ученых, общественных деятелей и писателей, среди которых Френсис Крик, лауреат Нобелевской премии по физиологии, США, Хосе Дельгадо, директор Центра нейробиологических исследований, Испания, Херберт Хауптман, лауреат Нобелевской премии, профессор биофизических наук, США, Сергей Капица, заведующий кафедрой, МФТИ, Россия, Таслима Насрин, писатель, врач, социальный критик, Бангладеш, Симона Вейль, бывший президент Европейского парламента, Франция, Курт Воннегут, писатель, США и др. в 1998 г.
В Декларации признается, что клонирование высших животных действительно ставит этические проблемы. Поэтому необходимо разработать соответствующие директивы, которые позволят предотвратить злоупотребления, в то же время сделав максимально доступными выгоды клонирования. Эти директивы должны как можно больше учитывать автономию и выбор каждого отдельного человека. Необходимо также предпринять все меры, чтобы сохранить свободу и неприкосновенность научных исследований.
В Декларации говорится также и о том, что моральные проблемы, порождаемые клонированием, не крупнее и не глубже тех, с которыми люди уже сталкивались по поводу таких технологий, как ядерная энергия, рекомбинантная ДНК или компьютерное моделирование. Они просто новые. Какие же моральные проблемы может породить клонирование человека? Некоторые религии учат, что человеческие существа фундаментально отличны от других млекопитающих - то божество наделило людей бессмертными душами, придав им ценность, не сравнимую с ценностью других живых существ. Утверждается, что природа человека уникальна и священна. Научные достижения, которые могут изменить эту "природу", встречают гневный протест.
Вместе с тем, насколько может судить научная мысль, вид Homo sapiens принадлежит к царству животных. Богатство мыслей, чувств, упований и надежд человечества возникает, по всей видимости, из электрохимических процессов в мозге, а не из нематериальной души, способы действия которой не может обнаружить ни один прибор. Теперь же существует вполне реальная опасность приостановки исследований, несущих огромные потенциальные блага, исключительно из- х конфликта с религиозными верованиями некоторых людей. Важно понять, что подобные религиозные возражения уже возникали по поводу вскрытия людей, анестезии, искусственного оплодотворения и всей генетической революции наших дней - , тем не менее, каждое из этих достижений принесло огромные блага. Тот взгляд на природу человека, который коренится в мифическом прошлом человечества, не должен быть нашим главным критерием при принятии моральных решений о клонировании.
В Декларации подчеркивается, что в клонировании высших животных, исключая человека, не содержится какихлибо неразрешимых этических дилемм. Не является очевидным и также и то, что будущие достижения в клонировании человеческих тканей и даже человеческих существ создадут моральные затруднения, которые не сможет разрешить человеческий разум.
Российское законодательство также устанавливает весьма жесткие ограничения на использование человеческого материала. Так, в предлагаемой медиками поправке к проекту "Закона о репродуктивных правах граждан и гарантиях их осуществления" содержится такай пункт: "Человеческий эмбрион не может быть целенаправленно получен или клонирован в научных, фармакологических или лечебных целях".
Всемирная организация здравоохранения /ВОЗ/ также негативно относится к клонированию собственно человека. Генеральный директор ВОЗ Хироси Накадзима считает, что "использование клонирования для производства человека неприемлемо с этической точки зрения". Специалисты ВОЗ исходят из того, что применение метода клонирования к людям нарушило бы такие фундаментальные принципы медицинской науки и права, как уважение человеческого достоинства и безопасность человеческого генетического потенциала.
Вместе с тем ВОЗ не против исследований в области клонирования клеток, поскольку это могло бы принести пользу, в частности, для диагностики и изучения рака. Не возражают медики и против клонирования животных, которое может содействовать изу- ению болезней, поражающих людей. При этом ВОЗ считает, что хотя клонирование животных способно принести существенные выгоды медицине, нужно быть все время на- еку, помня о возможных негативных последствиях - таких, например, как перенос заразных болезней от животных человеку.
3.4. Расшифровка генома человека
Программа "Геном человека" существует и финансируется в России с 1989 года. Несмотря на серьезные экономические трудности, работы в этой области продолжаются и поныне. В США, которые осуществляют большую часть проводимых исследований по проекту "Геном Человека", финансирование началось с 1990 года. Помимо США и России в реализации проекта участвуют научные центры Западной Европы, Японии и некоторых других стран. Задача проекта заключается в том, чтобы установить последовательность около 80000 генов и трех миллиардов нуклеотидов, из которых состоит ДНК человека.
Реализация проекта имеет серьезное значение для фундаментальной науки, поскольку значительно углубит знания об организации и функционировании генетического аппарата человека. Зная сходство и различие в строении ДНК человека и приматов, можно будет более точно реконструировать процесс антропогенеза. Трудно переоценить его значение для медицинской практики. Уже сейчас разработаны десятки и еще больше на подходе новых тестов для ДНКдиагностики наследственных болезней человека. Отмечу, что, например, внедрение тестов, выявляющих болезнь Тей Сакса, снизило рождаемость детей с этой патологией в США более чем на 90%.
Определение локализации и физической структуры генов, ответственных за возникновение тех или иных генетических нарушений человека, открывает возможности для исправления наследственного материала методами генетической терапии.
Следует также отметить, что осуществление проекта "Геном человека" сопряжено с революционным преобразованием молекулярнобиологических технологий, которые впоследствии могут найти применение в диагностике и коррекции генетически детерминированных заболеваний, а также в промышленных биотехнологиях. Уже сейчас растет число частных фирм, которые вкладывают значительные ресурсы в развитие геномных исследований, предполагая получить грандиозные прибыли.
Академик А.А.Баев писал: "...геном человека - это уже не только фундаментальная научная проблема, но и крупное социальное явление, как финансовое, так и производственное. Изучение генома достигло такого состояния, что и гуманитарии, занимающиеся вопросами философии, социологии, права, и религиозные деятели, и вообще общественность должны, наконец, вплотную заняться вопросами биоэтики (см. ниже)".
3.5. Биоэтика
Формирование биоэтики обусловлено прежде всего теми грандиозными изменениями, которые произошли в технологическом перевооружении современной медицины, кардинальными сдвигами в медикоклинической практике, которые нашли свое выражение в успехах генной - нженерии, трансплантации органов, биотехнологии, поддержании жизни пациента. Все эти процессы невиданным образом обострили моральные проблемы, встающие перед врачом, перед родственниками больных, перед медицинским персоналом. Существуют ли пределы и каковы они в поддержании жизни смертельно больного человека? Допустима ли эвтаназия? С какого момента следует считать наступление смерти? С какого момента зародыш можно считать живым существом? Допустимы ли аборты? Или аборты есть убийство живых существ? Таковы лишь некоторые из тех вопросов, которые встают перед врачом, да и перед широкой общественностью в условиях невиданного технологического оснащения современной медицины в развитых странах
Биоэтика как исследовательское направление междисциплинарного характера сформировалось в конце 60х - начале 70х гг. Термин "биоэтика" предложен В. Р. Поттером в 1969 г. Трактовка ее весьма разнородна. Прежде всего биоэтику пытаются отождествить с биомедицинской этикой, ограничив ее содержание этическими проблемами отношений "врач - циент". Существует и более широкое понимание биоэтики, включающее в себя. ряд аксиологических (ценностных)проблем профессиональной деятельности, смежной с врачебной, ряд социальных проблем, связанных с системами здравоохранения и, наконец, проблем, относящихся к отношению человека к животным и растениям. Кроме того, термин "биоэтика" указывает на то, что она ориентируется на исследования живых существ. Иными словами, биоэтика ориентируется на достижения современной биологии при обосновании или решении моральных проблем, возникающих в ходе научных исследований.
Несмотря на то, что биоэтика, как было сказано выше, оформилась как научное направление во второй половине 20 века, проблемы, которые она рассматривает, изначально составляли основу русской философской мысли.
Так начале 20- го века известный русский революционер П. А. Кропоткин разрабатывает этику альтруизма. Этику, по его мнению, необходимо обосновать научно, т. е. построить на базе естествознания, в частности, теории эволюции Дарвина. Высоко оценивая значение теории Дарвина, П. А. Кропоткин решительно критикует ее основной принцип - нцип борьбы за существование. Его необходимо дополнить принципом взаимной помощи как одним из важнейших факторов эволюционного процесса. Это означает, что корни нравственности - в инстинкте общительности, уже изначально существующем в органической природе. Природа называется Кропоткиным первым учителем этики, нравственным началом этики. Поэтому в работах Кропоткина - "Взаимная помощь как фактор эволюции", "Этика" много внимания уделено описанию различных форм взаимопомощи в животном мире, для того чтобы показать, как этические нормы укоренены в природном мире, истоки альтруизма - в инстинкте общительности и взаимопомощи, присущих уже животным. Позднее эти идеи нашли свои подтверждение в работах этологов К. Лоренца, Д.П. Филатова и др.
В сороковых годах 20- го столетия выдающийся советский биолог Д. П. Филатов начинает писать работу "Норма поведения, или мораль с естественно- сторической точки зрения". Увязывая этику с теорией эволюции и этологией, Филатов проводил мысль, что человек на первых фазах эволюции унаследовал от животного мира норму оборонительного поведения, эгоистическо- нстинктивное начало в поведении. Эгоизм первичен в жизни животных. Эта фаза в эволюции человека подчинена законам естественного отбора, действие которых в последующем ослабляется. В соответствии с этим уменьшается и жизненное значение эгоизма и увеличивается роль людей, для которых характерны любовь к жизни и природе в целом. Для морали будущего, по мнению Филатова, как раз и будет характерно повышение антиэгоистических норм морали и поведения людей, которые "поступают так, как поступил бы заботливый хозяин жизни: ничего для себя и все - для окружающего. И так как они поступают так не в силу взятого на себя принципа, а в силу своего всеобъемлющего интереса к жизни, их удовлетворение постоянно". Они - "носители объединенной, спаянной в одно целое любви ко всему и живому и неживому". Обращает на себя внимание то, что Д. П. Филатов, сохраняя ориентацию на науку, пытается построить этику, выходящую за границы и натуралистической, и христианской этики. Свою этику он называет этикой любви к жизни.
Биоэтика, как и любое другое изобретение человеческого духа, не является некоей моральной панацеей. Нельзя думать, что она сможет дать решение всех рассматриваемых ею проблем. Поскольку ситуации, анализируемые биоэтикой, рождаются в сфере современных и перспективных биологических и медицинских научных исследований, в будущем ей, повидимому, должно уделяться все большее внимание. Одной из главных задач биоэтики должна стать попытка пробудить чувство ответственности за те социальные формы, в которой эти ситуации возникают и разворачиваются в современном обществе. Только в этом случае появится возможность движения к осуществлению оптимистическую концепции Вернадского о переходе биосферы в сферу разума, где решающую роль играет не только наука, но и этический разум объединенного человечества.
Контрольные вопросы
1. Что изучает микробиология?
2. Труды каких ученых лежат в основе микробиологии?
3. Назовите основные направления микробиологии.
4. Какие методы исследования используются в микробиологии?
5. В чем заключается практическое значение микробиологии?
6. Что такое инженерная энзимология?
7. Что такое иммобилизованный фермент?
8. Каково практическое значение инженерной энзимологии?
9. Что составляет объект исследований генной инженерии?
10. Объясните понятие "трансгенный".
11. Что такое стволовые клетки?
12. Каково практическое значение генной инженерии?
13. Что такое генная терапия?
14. В чем видится опасность генной инженерии и генной терапии?
15. Что такое евгеника? Когда она возникла?
16. Что составляет естественнонаучную основу евгеники?
17. Дайте характеристику российскому евгеническому движению.
18. Что такое позитивная евгеника?
19. Что составляет философскосоциологическую надстройку евгеники?
20. Приведите примеры реакционной, расистской трактовки положений евгеники.
21. Каково, на ваш взгляд, будущее евгеники?
22. Поясните термины: клон, клонирование.
23. Что является признаком клона?
24. Какие методы получения клонов известны в настоящее время?
25. Что такое "естественное клонирование"?
26. Можно ли получить абсолютные копии организмов при клонировании? Поясните ваш ответ.
27. Почему клонирование высших животных и человека расценивается многими как аморальное?
28. Каково мнение ВОЗ о клонировании?
29. Назовите аргументы защитников клонирования.
30. Что вы думаете о целесообразности исследований в области клонирования? Сформулируйте ваши аргументы.
31. В чем заключается суть программы "Геном человека"?
32. В чем заключается практическая ценность программы "Геном человека"?
33. Поясните термин "биоэтика".
34. Чем обусловлено возникновение биоэтики?
35. В чем суть биоэтических концепций П.А. Кропоткина? Д.П. Филатова?
36. В чем состоят задачи современной биоэтики как междисциплинарного научного направления?
Литература
1. Большая Российская энциклопедия. - Russ Portal Company Ltd. Проект Рубрикон.
2. Жубанова А.А., Савицкая И.С. Инженерная энзимология. /Учебнометодическое пособие. - Изд. Казахского национального унта им. альФараби, 2001.
3. Корочкин Л.И. Клонирование животных: естественнонаучные и социальные проблемы. /Высокие технологии и современная цивилизация. Материалы научной конференции. Инт философии РАН, 1998.
4. Мадоян И.А. Этический фактор как обязательный компонент современных технологий в биоинженерии. /Высокие технологии и современная цивилизация. Материалы научной конференции. Инт философии РАН, 1998.
Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира
| 1. Понятие симметрии Контрольные вопросы |
1. Понятие симметрии
Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического мира связано с тем или иным нарушением определенных видов симметрий. Чтобы это утверждение стало более понятным, рассмотрим подробнее понятие симметрии.
«Симметричное обозначает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, а симметрия – тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое. Красота тесно связана с симметрией», - писал Г. Вейль в своей книге «Этюды о симметрии». Он ссылается при этом не только на пространственные соотношения, т.е. геометрическую симметрию. Разновидностью симметрии он считает гармонию в музыке, указывающую на акустические приложения симметрии.
Зеркальная симметрия в геометрии относится к операциям отражения или вращения. Она достаточно широко встречается в природе. Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (например, симметрия снежинок, природных кристаллов), однако не у всех из них наблюдается зеркальная симметрия. Известны так называемые оптически активные кристаллы , которые поворачивают плоскость поляризации падающего на них света. [2].
В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и, следовательно, симметричен, чем квадрат. В свою очередь, квадрат более симметричен, чем прямоугольник. Другими словами, симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к каким-либо преобразованиям (операциям) над ним. Например, окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична и относительно центра. Операциями симметрии в данном случае будут зеркальное отражение относительно оси и вращение относительно центра окружности.
В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого .
Противоположным понятием является понятие асимметрии , которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой . Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового.
Симметрия может быть не только геометрической. Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии).
К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.
К динамической форме относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий , например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий к геометрическим симметриям.
Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований . Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. Так в СТО физические законы не изменяются относительно переноса (сдвига) системы координат. Траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг остается одинаковым у всех точек пространства. Таким образом, здесь работают глобальные калибровочные преобразования.
Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д. [3].
2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения
Одной из важнейших особенностей геометрических симметрий является их связь с законами сохранения. Значение законов сохранения (законы сохранения импульса, энергии, заряда и др.) для науки трудно переоценить. Дело в том, что понятие симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к физическому закону. Вспомним, что согласно принципу относительности Эйнштейна, все физические законы имеют одинаковый вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.
Теорема Нетер . Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения . Рассмотрим переходы от одной инерциальной системы к другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, есть различные виды симметрии, каждому из которых, согласно теореме Нетер, должен соответствовать закон сохранения.
Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями:
1. Сдвиг начала координат . Это связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве.
2. Поворот тройки осей координат . Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.
3. Сдвиг начала отсчета по времени , соответствующий симметрии относительно переноса по времени. Этот вид симметрии связан с физической эквивалентностью различных моментов времени и однородностью времени, т.е. его равномерным течением во всех инерциальных системах –отсчета. Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях).
4. Равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V , т.е. переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Это возможно, т.к. такие системы эквивалентны. Такую симметрию условно называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью преобразований Галилея или преобразований Лоренца.
(Важно отметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др. Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.)
Описанные выше 4 вида симметрии являются универсальными . Это означает, что все законы Природы относительно них инвариантны с большой степенью точности, а соответствующие им законы являются фундаментальными . К этим законам относятся соответственно:
1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства.
2. Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства.
3. Закон сохранения энергии как следствие однородности времени.
4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени).
Как уже было сказано ранее, описанные виды симметрий относятся к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.
Так закон сохранения электрического заряда вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии. Ее суть состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля 
и индукция магнитного поля B
остаются неизменными. Из этого закона вытекает, в частности, устойчивость электрона – самой мелкой фундаментальной заряженной частицы, способной существовать в свободном состоянии. (По современным данным время жизни электрона не менее 1019
лет).
При рассмотрении действия тех или иных фундаментальных законов не следует забывать, что каждому виду симметрии соответствует своя асимметрия. Асимметричные условия исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия. Поэтому содержание законов всегда должно включать определенные моменты асимметричных условий.
3. Симметрия и асимметрия живого
Мелкие организмы, взвешенные в воде, имеют почти шарообразную форму. У организмов, живущих в морских глубинах и подверженных высокому давлению воды, уже иная симметрия: у них вращательная способность свелась к отдельным поворотам вокруг некоторой оси. Филогенетическая эволюция стремилась вызывать наследственное различие между правым и левым, однако ее действие сдерживалось теми преимуществами, которое животное извлекало из зеркально-симметричного расположения своих органов. Этим, по-видимому, можно объяснить, почему наши конечности более подчиняются симметрии, чем наши внутренние органы. Так, расположение сердца и закручивание кишечника человека почти всегда левосторонее.
Современное естествознание пришло еще к одному важному открытию, связанному с симметрией и касающемуся отличия живого от неживого. Дело в том, что «живые» молекулы, т.е. молекулы органических веществ, составляющих живые организмы и полученные в ходе жизнедеятельности, отличаются от «неживых», т.е. полученных искусственно, отличаются зеркальной симметрией. Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как, например, левая и правая перчатка. Это свойства зеркальной асимметрии молекул называется киральностью, или хиральностью (<греч. cheiros – рука). Неживые киральные морекулы встречаются в Природе как в «левом» так и в «правом» варианте, т.е. они кирально нечистые. «Живые» молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой», т.е. здесь говорят о киральной чистоте живого . Например, молекула ДНК, как известно, имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. У глюкозы, образующейся в организме – правовращающая форма, у фруктозы – левовращающая.
Следовательно, важнейшая способность живых организмов - создавать кирально чистые молекулы. По современным представлениям именно киральность молекул определяет биохимическую границу между живым и неживым [1].
4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации
Взаимосвязь симметрии и асимметрии рассматривается современной наукой в различных аспектах, охватывающих саморазвитие материи на всех ее структурных уровнях. Так современное синергетическое видение эволюции Вселенной основано на идее о т.н. спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума. Под исходным вакуумом понимают состояние материи до Большого Взрыва, когда вся материя была представлена физическим вакуумом . В настоящее время считается, что истинный физический вакуум – это состояние материи с наименьшей энергией. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором значение энергии всех физических полей равно нулю. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей и возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля средним значением энергии. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума. (Для такого вакуума введен термин «ложный вакуум»). В качестве наглядной иллюстрации можно привести пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии (см. рис.1). Та же идея справедлива и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии [4].
В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию (раздувание) от «ложного вакуума» – вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремление к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. «Ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, а следовательно, нестабильное состояние. В свете инфляционной теории эволюция Вселенной предстает как синергетический самоорганизующийся процесс. Если считать Вселенную замкнутой системой, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Согласно этой теории в процессе расширения из «суперсимметричного » состояния Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Схематично этот процесс представляется в следующем (весьма упрощенном!) виде:
1-я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами привело к разделению материи на вещество и поле;
2-я бифуркация: нарушение тождества между кварками и лептонами; симметрия Вселенной нарушается до симметрии, отвечающей сильным взаимодействиям и симметрии, отвечающей электрослабым взаимодействиям; нарушается также симметрия между веществом и антивеществом: частиц вещества рождается больше, и вся наша Вселенная оказывается построенной из вещества;
3-я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием.
4-я бифуркация: возникают протоны и нейтроны.
Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, галактик и т.д.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и зарядов, вследстве чего плотность энергии вакуума уменьшается.
Важным здесь является и то, что ход этой эволюции, выбор пути развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась именно такая Вселенная, какую мы наблюдаем, т.е. Вселенная, в которой оказалась возможной жизнь нашего типа и появление самого наблюдателя (т.н. антропный принцип ).
Асимметрия и жизнь. Открытие киральной чистоты молекул биогенного происхождения проливает новый свет на возникновение жизни на Земле, которое могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. Возможно, что жизнь на Земле зародилась в виде структур, схожих с генами современных организмов. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не постепенной эволюции. В связи с этим говорят о Большом Биологическом Взрыве.
Исследования показывают, что в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет симметрию из биологических и химических процессов. Внешне симметричные полушария головного мозга различаются по своим функциям. Явно асимметричным признаком является разделение полов – достаточно «позднее приобретение» эволюции, причем каждый пол вносит в процесс воспроизведения свою генетическую информацию. Симметрия и асимметрия живого проявляются и в важнейших факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия [1].
Контрольные вопросы
1. Дайте различные толкования понятия «симметрия».
2. Что такое геометрическая симметрия (геометрическая форма симметрии)?
3. Что такое динамическая форма симметрии?
4. Что такое калибровочная симметрия?
5. Приведите упрощенную формулировку теоремы Нетер.
6. Перечислите виды переходов от одной ИСО к другой.
7. Чем обусловлена возможность перехода от одной ИСО к другой путем поворота системы координат?
8. С какой симметрией связан закон сохранения импульса?
9. С какой симметрией связан закон сохранения энергии?
10. С какой симметрией связан закон сохранения момента импульса?
11. С каким из законов сохранения связана электромагнитная калибровочная симметрия?
12. Как проявляются симметрия и асимметрия в мире живого?
13. Что такое киральная чистота живого?
14. Что такое «ложный» вакуум, чем он отличается от «истинного»?
15. Опишите кратко начальную стадию развития Вселенной с точки зрения нарушения исходных симметрий.
16. Как изменяется соотношение симметрии и асимметрии в процессе биологической эволюции?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма
| 1. Концепция самоорганизации в науке 2. Основные понятия и принципы синергетики Контрольные вопросы |
1. Концепция самоорганизации в науке
На предыдущих лекциях при рассмотрении самых различных вопросов из разных областей естествознания мы не раз обращались к понятию самоорганизация, которое неразрывно связано с понятием эволюции систем. Теперь возникает следующая проблема: каковы механизмы самоорганизации этих систем? Концепция самоорганизации в настоящее время приобретает все большее значения, становясь парадигмой исследования обширного класса систем и процессов, происходящих в них. В 70-х годах 20-го века возникла новая наука – синергетика , механизмы самоорганизации и развития. Областью ее исследований является изучение эволюции различных структур, относительная устойчивость которых поддерживается благодаря притоку энергии и вещества извне. В основе синергетики лежит, среди прочих, важное утверждение о том, что материальные системы могут быть закрытыми и закрытыми, равновесными и неравновесными, устойчивыми и неустойчивыми, линейными и нелинейными, статическими и динамическими. Принципиальная же возможность процессов самоорганизации обусловлена тем, что в целом все живые и неживые, природные и общественные системы являются открытыми, неравновесными, нелинейными.
Возникновение синергетики связано, в основном, с именами И. Пригожина - бельгийского физика и химика И.Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977 г., немецкого физика Г.Хакена, другого немецкого ученого М. Эйгена (вспомним его гиперциклы), а также наших отечественных ученых Б. Белоусова и Жаботинского.
И.Пригожин, разрабатывая современную термодинамику необратимых процессов (неравновесную термодинамику) открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического, неупорядоченного состояния системы, т.е. самоорганизацию и сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. К своим идеям он пришел, анализируя специфические химические реакции, которые впервые экспериментально были изучены Б. Белоусовым и А. Жаботинским. И. Пригожин со своими сотрудниками И.Стенгерс, Г.Николисом построили математическую модель таких реакций, а также показали, что в сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности.
Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой , что в переводе с греческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.
М.Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора справедлив и на микроуровне, а генезиз (происхождение жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора на основе автокатализа.
2. Основные понятия и принципы синергетики
Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы – равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.
Уже теория Канта и Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Другими словами, самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы , которое и позволило устранить упомянутые противоречия.
Открытость систем. Такие понятия как изолированная (закрытая) система, необратимые процессы являются идеализацией. При изучении обратимых процессов (например, качание маятника в вакууме при отсутствии трения) нет смысла говорить о направлении течения времени, т.к. прошлое, настоящее и будущее в этом случае не отличаются. Поэтому в уравнениях обратимых процессов время выступает всего лишь как параметр, который можно изменять. Но в реальности в случае с маятником всегда присутствует трение, колебания маятника будут затухающими, и прошлое, настоящее и будущее будут уже отличаться. Ранее уже говорилось о том, что необратимых процессов в живой природе эволюционным принципом стало II начало термодинамики, утверждающее, что энтропия изолированной системы возрастает. Именно рост энтропии устанавливает направление протекания процесса, т.е. «стрелу времени» .
В своей книге «Что такое жизнь» выдающийся австрийский физик Э. Шредингер указал на то, что средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности, т.е. на достаточно низком уровне энтропии, в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Другими словами, организм извлекает из окружающей среды негэнтропию. Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, открытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду . С поступлением энергии и вещества в открытую систему ее неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между элементами и возникают новые, которые приводят к новой структуре, новым кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов .
Нелинейность . Сложные системы являются нелинейными. Для их описания используются нелинейные математические уравнения, т.е. уравнения, в которых искомые величины входят в степенях больше единицы, в составе математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.п.) или коэффициенты зависят от свойств среды и особенностей протекания процесса. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Физически это означает возможность различных путей эволюции системы .
Диссипативность. Великий русский математик А.М.Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом. Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и, в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния. Критерием эволюции при этом является величина (dS/dt) < 0 , которая указывает направление развития физической системы к устойчивому стационарному состоянию. Эти процессы происходят достаточно медленно, поэтому на каждом этапе как бы достигается равновесие. Величина прироста энтропии за единицу времени в единице объема называется функцией диссипации , а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, называются диссипативными . В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло. Практически все системы являются таковыми, поскольку трение и прочие силы сопротивления приводят к диссипации энергии (диссипация < лат. dissipatio – разгонять, рассеивать).
При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Тогда неупорядоченное однородное состояние системы может потерять устойчивость. В ней возникают и могут возрасти до макроскопического уровня т.н. крупномасштабные флуктуации . При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из=за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации . При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами .
На макроуровне диссипативность проявляется как хаос. На микроуровне хаос – это не разрушающий фактор, а сила, выводящая систему путь образования новых структур.
Бифуркации . Выше было сказано, что нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Ответвления от известного решения появляются при изменении значения параметров системы. Поэтому мы введем здесь еще одно понятие - управляющие параметры (параметры порядка). Изменения управляющих параметров способны вызвать катастрофические , т.е. большие скачки переменных системы, и эти скачки осуществляются практически мгновенно.
Путь на изолированном острове выводятся летом насекомые численностью xj и откладывают яйца. Потомство их на следующее лето появится численностью xj+1 = cxj (1- xj ) . Рост популяции насекомых описывается первым членом в правой части уравнения xj , а убыль – вторым. Параметр роста (коэффициент пропорциональности) с является управляющим параметром. При с<1 популяция при увеличении j убывает и исчезает. В области 1<c<3 численность приближается к значению x = 1 - (1/c). Следующий диапазон 3<c<3,4 соответствует двум ветвям решения и при определенных условиях численность может колебаться между ними (рис. 1). Т.е. она растет резко от малого значения, и откладывается много яиц. Но перенаселенность, возникающая на следующий год, вновь снижает численность в следующем году до малого значения., так что период колебания численности равен двум годам. Далее, при 3,4<c<3,54 имеем уже 4 ветви, и возникает 4—стадийный цикл колебаний и. т.д. Подобные решения имеют место для широкого класса систем химических, электрических, гидродинамических и т.д.
Итак, при изменении управляющих параметров в системе наблюдаются различные переходные явления, которые мы рассмотрим с помощью т.н. диаграммы бифуркации (см. рис. 2).
1
– асимптотическая ветвь, где система остается устойчивой, т.е. при малых l имеет одно единственное решение
2
– точка, где l=lС
- здесь происходит потеря устойчивости. Появляется два решения.
3
– система вновь находится в равновесии, причем существуют 2 устойчивые ветви b1 и b2.
Сама точка lС носит название точки бифуркации (<лат. раздвоение, размножение) или «точкой катастрофы».
Ранее уже использовалось понятие флуктуации, т.е. отклонение какой-либо величины от среднего значения. Здесь, как видим, малая флуктуация управляющего параметра может иметь определяющее значение для системы (она начинает развиваться либо по ветви b1, либо по ветви b2). В биологической эволюции флуктуации проявляются в мутациях, изменчивости, в то время как устойчивость обусловлена естественным отбором.
Усложнение структуры и поведения системы тесно связано с появлением новых путей решения в результате бифуркаций. В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистскими законами. Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса» . Флуктуации могут усиливаться в процессе эволюции системы или затухать, что зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.
Аттракторы и фазовые траектории. Для выяснения сущности этих понятий рассмотрим динамическую систему. Понятие динамической системы состоит из двух частей: понятия состояния (существенной информации о системе) и динамики (правила, описывающего эволюцию системы во времени). Эволюцию можно наблюдать в пространстве состояний, или фазовом пространстве, - абстрактном пространстве, в котором координатами служат компоненты состояния. При этом координаты выбираются в зависимости от контекста. В случае механической системы это могут быть положение и скорость, в случае экологической модели - популяции различных биологических видов.
Пусть интересующий нас процесс зависит только от одной переменной (например, от времени t ) и может быть смоделирован с помощью системы дифференциальных уравнений вида
, (2.1)
где 
- N
-
мерный вектор, характеризующий состояние системы, 
-
начальные данные. К числу математических моделей такого рода относятся, например, уравнения механики для системы материальных точек (движение планет Солнечной системы, груза на наклонной плоскости, элементарной частицы в электромагнитном поле и др.). Число явлений окружающего мира, которое может быть описано с помощью подобных моделей огромно, однако число моделей, которые могут быть изучены путем вычислительного эксперимента на компьютерах весьма ограничено, а уравнения, которые могут быть решены аналитически, составляют чрезвычайно малую долю.
Рассмотрим наиболее простой пример динамической системы - простой маятник. Его движение задается всего двумя переменными: положением и скоростью. Таким образом, его состояние - это точка на плоскости, координаты которой - положение маятника и его скорость. Это означает, что размерность вектора, характеризующего состояние маятника N = 2. Эволюция состояния описывается правилом, которое выводится из законов Ньютона и выражается математически в виде дифференциального уравнения. Когда маятник качается взад-вперед, его состояние - точка на плоскости - движется по некоторой траектории («орбите»). В идеальном случае маятника без трения орбита представляет собой петлю; при наличии трения орбита закручивается по спирали к некоторой точке, соответствующей остановке маятника (см. рис. 3). Часы с маятником, которые заводятся при помощи пружины или гирь, также проходят циклически некоторую последовательность состояний. Маятник снова и снова повторяет свой путь. В фазовом пространстве его движению соответствует периодическая траектория, или цикл. Неважно, как маятник запущен в движение - в конце концов, он придет к тому же циклу. Такие аттракторы называются предельными циклами. Другим примером системы с предельным циклом является сердце.
Точка или множество точек (например, петля, цикл), к которому стремится прийти система, называется аттрактором (от лат. attractio – притягиваю). Другими словами, аттрактор – это точка или некоторое множество точек, к которому стремится динамическая система с течением времени, как бы «забывая» начальные условия. Действительно, каковы бы не были начальные значения переменных системы, по мере развития динамического процесса, они будут стремиться к одним и тем же значениям или одним и тем же множествам значений – аттракторам. Таким образом, аттракторы - это геометрические структуры, характеризующие поведение в фазовом пространстве по прошествии длительного времени.
Одна и та же система может иметь несколько аттракторов. Если это так, то разные начальные условия могут привести к разным аттракторам. Множество точек, приводящих к некоторому аттрактору, называется его областью притяжения. Система с маятником имеет две такие области: при небольшом смещении маятника от точки покоя он возвращается в эту точку, однако при большом отклонении часы начинают тикать, и маятник совершает стабильные колебания.
Свойства аттракторов задаются набором траекторий в пространстве n переменных состояния, которые зависят от времени как от параметра. В обычном аттракторе эти траектории простые (точка, окружность, эллипс и т.п.). Но ряд явлений сопровождается появлением траекторий запутанных, не похожих ни на точки, ни на кривые, ни на поверхности, имеют вид «спутанных клубков», многослойных поверхностей. Такие аттракторы получили названия «странных аттракторов». Странность состоит в том, что, попав в область странного аттрактора, точка, соответствующая состоянию системы будет «блуждать» там и только через большой промежуток времени приблизится к какой-либо точке аттрактора. Поведение системы выглядит при этом хаотическим, а ее дальнейшее поведение сильно зависит от начальных условий.
Контрольные вопросы
1. Что является областью исследования синергетики?
2. Назовите имена ученых, внесших вклад в развитие синергетики.
3. Какие системы называются диссипативными?
4. Поясните смысл бифуркации.
5. Что такое параметры порядка?
6. Что такое фазовое пространство, фазовая траектория?
7. Что такое аттрактор, странный аттрактор.
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)
| 1. Примеры самоорганизации в неживой природе 2. Самоорганизация в социальных системах Синергетика и экономика Контрольные вопросы |
1. Примеры самоорганизации в неживой природе
Ячейки Х.Бенара. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек), как это показано на рис.1. В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз. В верхнем слое шестигранной призмы оно движется от центра призмы к ее краям, в нижнем – от краев к центру. Важно отметить, что для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков. Поскольку система обменивается с окружающей средой только теплом и в стационарном состоянии (при Т1 ) получает тепла столько, сколько отдает (при Т2 < Т1 ), то
S = (Q/T1) – (Q/T2) < 0 ,
т.е. внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии из окружающей среды. Подобные конвективные ячейки образуются в атмосфере, если отсутствует горизонтальный перепад давления.
Работа лазера. Рабочей средой твердотельного лазера является рубиновый стержень, на концах которого устанавливаются два качественных зеркала (резонатор). С помощью мощной лампы накачки атомы рубина приходят в возбужденное состояние и начинают излучать. Вначале их излучение является хаотическим , независимым друг от друга , и лазер работает как обычная лампа. Но при определенном (критическом) значении мощности накачки происходит скачкообразный переход работы лазера от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е. упорядоченным.
Химические часы. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных. Такие реакции были получены в 50-х годах 20-го века советскими учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. Однако полученные ими результаты были настолько необычными, что ученые долго не могли опубликовать их. Лишь в 80-х годах они получили признание. Суть реакции Белоусова - Жаботинского состоит в окислении органической (малоновой) кислоты бромидом калия. При добавлении индикатора окислительно-восстановительных реакций (ферроина) можно наблюдать за ходом реакции по периодическому изменению цвета раствора. Внешне самоорганизация проявляется появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора с синего на красный и наоборот (рис.2). Этот колебательный процесс идет без всякого вмешательства извне в точение нескольких десятков минут и получил название «химических часов». Следует заметить, что колебания происходят около неустойчивого стационарного состояния вдали от состояний равновесия. (Около устойчивых стационарных состояний такие периодические колебания невозможны).
2. Самоорганизация в социальных системах
Попытки объяснить механизмы самоорганизации, которые начались, по существу, еще в 18-м веке, не обошли стороной и общественные науки. Основоположник классической политической экономии А.Смит (1723-1790) в своем главном труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» показал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов его участников. Такое взаимодействие приводит к установлению никем не запланированного порядка, который выражается в равновесии спроса и предложения. А. Смит использовал метафору «невидимой руки», которая регулирует цены на рынке.
Подобные же идеи высказывались в то время и относительно самоорганизации норм нравственности в обществе. При этом идеи самоорганизации, самосовершенствования деятельности социальных систем связывались с эволюционными процессами. И вот в конце 20-го века ответ на многие поставленные вопросы пришел из естественных наук, когда было обнаружено поразительное сходство процессов самоорганизации на самых различных структурных уровнях материи.
Социальные системы так же как и природные – столь же сложные и нелинейные. В них возможны изменения структурных связей, кризисы и катастрофы, в том числе экологические и экономические. И здесь большое значение имеет возможность, опираясь на методы синергетики, определить условия нарушения прежней устойчивости и возможность перехода в новое состояние, сопровождаемое структурными изменениями.
Стохастическая модель процесса формирования общественного мнения была построена Г.Хакеном в его работе «Синергетика». Здесь главной трудностью был выбор макроскопических переменных, описывающих общество. Г. Хакен взял довольно простой пример. Он использовал в качестве параметров порядка число индивидуумов с соответствующими мнениями – за (+) и минус (-). Тогда формирование общественного мнения описывалось изменением этих чисел. При отсутствии внешних воздействий оказались возможными два результата. Вследствие частых перемен точек зрения получается одноцентровое распределение мнений в коллективе, а при значительной устойчивости связей между индивидуумами формируются два противоположных мнения, соответствующих состоянию поляризации общества. Эта модель позволяет качественно объяснить неустойчивые ситуации, когда характеристика общественного состояния, зависящая от связи индивидуумов, приближается к критическому значению (точке бифуркации).
Синергетика и экономика. Как уже говорилось, самоорганизующиеся системы – это открытые системы, свободно обменивающиеся с внешней средой и другими системами энергией, материальными потоками и информацией. В случае рынка -–это свободное движение капитала, рабочей силы и товара. Целенаправленная деятельность субъектов – участников процесса в условиях внешних воздействий и конкуренции делает систему асимметричной и неравновесной , т.е. уводит ее от состояния равновесия (максимума энтропии).
Кооперация и конкуренция фирм являются самоорганизующимися процессами. При синергетическом моделировании рынка как самоорганизующейся системы с целью максимизации прибыли приходится решать дифференциальные балансовые уравнения, применять компьютерные системы обработки информации, новые информационные технологии.
В неравновесных системах, помимо знания балансовых уравнений, встает задача формализации и учета отношения порядка и беспорядка (соответственно, энтропии и негэнтропии). Эта проблема не так проста. Рынок выступает здесь в качестве индикатора, быстро обнаруживая неходовые товары, производство которых нерентабельно и ведет к росту энтропии.
Высококачественные товары, пользующиеся большим спросом и производящиеся в большем объеме (работает положительная обратная связь), напротив, увеличивают негэнтропию, порядок, так как ускоряются процессы производства и обмена, повышается занятость, полнее удовлетворяются потребности общества, растет жизненный уровень людей. Через некоторое время по мере расширения выпуска происходит насыщение рынка этим товаром, наступает момент равновесия между спросом и предложением, но конкурирующие фирмы уже освоили к этому времени новые изделия, поставили на рынок новые товары, с более высокими качествами. Товарно-денежные отношения снова активизируются. И когда производителей достаточно много, новые предложения поступают непрерывно. Так поддерживается неравновесность рынка и эффективность функционирования экономической системы.
Эволюция в социальных и гуманитарных системах . Между социально-культурной эволюцией и эволюцией биологической существует определенное сходство. Многие ученые характеризуют социальную эволюцию как продолжение биологической эволюции другими средствами. Сама культура при этом мощным средством приспособления к реальности. Однако сходство не означает тождества, и если рассматривать социально-культурную эволюцию как продолжение биологической эволюции, необходимо учитывать тот факт, что процессы самоорганизации при этом значительно усложняются, а сама эволюция приобретает качественно отличный характер. В частности, в живой природе эволюция происходит путем генетической передачи наследственной информации от родителей к потомкам. В социально-экономической и культурной эволюции непосредственный опыт, приобретенный людьми в процессе приспособления к изменениям окружающей среды, не передается по наследству.
В обществе существуют свои методы и средства передачи накопленного опыта (индивидуального, социального). Это традиции, религия, искусство, системы образования и т.п. Традиции относятся к наиболее устойчивому явлению, присущему тому или иному народу или группе. Лауреат Нобелевской премии Ф.Хайек помещает их между инстинктом и разумом. Традиции сыграли решающую роль в становлении порядка в человеческой деятельности и формировании цивилизации. Традиции придают социальной эволюции более ускоренный характер по сравнению с биологической. Вместе с тем между биологической и социальной эволюцией нет непроходимой пропасти – они связаны между собой определенными свойствами, присущими как животным, так и человеку. Важнейшим из них является способность к подражанию. Уже у высших животных эта способность является существенным фактором приспособления к изменениям ОС. Многие ученые считают, что именно обучение путем подражания в сочетании с трудовой деятельностью привело в действие высокоэффективный механизм социально-культурной эволюции.
Синергетические координаты для описания эволюции. Спираль развития. Явления развития можно рассматривать как борьбу двух противоположных тенденций: организации и дезорганизации. При этом удобно их рассматривать в связи с понятием энтропии. Понятие энтропии в настоящее время выходит за рамки ее термодинамической трактовки (мера рассеяния тепловой энергии в замкнутой термодинамической системе – Клаузиус, 1952 г. и мера вероятности состояния замкнутой термодинамической системы – Больцман). На рубеже 20-30- годов Сциллард, Шеннон применили понятие энтропии к информационным системам в качестве меры вероятности информационных систем. Во второй половине 20-го века в работах Э.Шредингера понятие энтропии еще более расширилось – до понимания ее как меры дезорганизации систем любой природы. Эта мера простирается от максимальной энтропии (S=1), т.е. хаоса, до «исчезновения» энтропии (S=0), соответствующего наивысшему уровню порядка (см. рис.3). Н. Винер отождествлял количество информации с отрицательной энтропией (негэнтропией).
С помощью энтропии стало возможным оценивать количественно такие понятия, как «хаос» и «порядок». Информация и энтропия связаны потому, что они характеризуют реальную действительность с точки зрения упорядоченности и хаоса (информация – мера упорядоченности, энтропия – мера хаоса). С этой точки зрения в нашем обществе, в экономике в настоящее время довольно энтропия велика. Нарастание энтропии в обществе имеет множество проявлений. Это рост преступности, нарастание числа аварий и катастроф, низкая производительность, износ технологического оборудования и т.п.
Альтернативность и взаимосвязь понятий энтропии и информации выражаются в формуле
S + J = 1 (const)
Если система эволюционирует в направлении упорядоченности, то ее энтропия уменьшается. Но это требует целенаправленных усилий, внесения информации, т.е. управления. Н. Винер писал: «Мы плывем вверх по течению, борясь с огромным потоком дезорганизованности, которая в соответствии со II законом термодинамики стремится все свести к тепловой смерти… Человек всю жизнь борется с энтропией, гася ее извлечением из окружающей среды отрицательной энтропии – информации.» (по [3] )
Таким образом, явления развития удобно рассматривать в координатах, связанных с понятиями энтропии и информации (негэнтропии). Это позволяет наглядно представить мысленную (концептуальную) модель процессов самоорганизации в виде сужающейся спирали (см. рис 4), где по оси абсцисс откладывается энтропия, а по оси ординат – некоторый «параметр прогресса» Р .
Пусть имеются два подобных события на соседних витках спирали. Эти события соответствуют «узловым» моментам процессов развития, имеющим ярко выраженный скачкообразный характер, например, смена поколений ЭВМ и т.п. Интервал времени между двумя событиями А1 и А2 обозначим А1 А2 .
Как видно из рисунка, энтропия, по мере накопления информации, убывает по направлению от периферии к центру, что соответствует прогрессу, т.е. возрастанию уровня организации объекта в процессе его развития. Характерными особенностями спирали развития являются следующие.
· увеличение «параметра прогресса» от витка к витку: Pn > Pn-1 ;
· уменьшение доли элиминируемого , т.е. “отрицаемого”, отбрасываемого витка; (по мере развития все меньше ненужного, «неправильного» приходится отбрасывать – это проявляется, в частности, при построении новых научных теорий;) dHn < dHn+1
· сокращение интервалов времени между скачками: t2 < t1 .
Подобная модель самоорганизации может быть применена к биологическим, социальным, экономическим, культурным и др. системам. Главное здесь – возрастание уровня организации, связанное с уменьшением неопределенности по мере накопления информации. Так из биологии известно, что число принципиально возможных одноклеточных организмов намного больше того, что есть на самом деле. Низших биологических форм много, а Человек – один (сходящаяся спираль). Процесс написания студентом курсовой или дипломной работы тоже можно представить как движение от максимальной начальной до минимальной конечной энтропии. Высокая неопределенность в начале выполнения задания по мере работы над ним (работа с литературой, эскизы, блок-схемы, расчеты) уменьшается и достигает минимума к моменту оформления и защиты.
Развитие не всегда имеет восходящий характер. Возможны локальные возрастания энтропии, «обратные скачки» (см. рис.4). Возрастанию энтропии соответствуют участки j1 и j2 . Например, экономическим формациям присущи как восходящие, так и нисходящие линии развития. Пока производственные отношения данной формации более или менее соответствуют уровню производительных сил, последние развиваются ускоренно, по восходящей линии. Когда же устоявшиеся производственные отношения начинают тормозить продолжающийся рост производительных сил, наступает застойная или даже нисходящая стадия в развитии формации, что подводит общество к революционной ситуации, к новому скачку в развитии, происходящему в окрестностях точки бифуркации.
Подводя итог рассмотренным теоретическим положениям и примерам, выделим следующие условия и положения самоорганизации систем.
1. Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.
2. Если в случае закрытых систем самоорганизация (эволюция) ведет к росту энтропии и беспорядка, то в случае открытых систем происходит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Именно флуктуации приводят в этом случае к «расшатыванию» старого порядка и возникновению нового. Энтропия падает, количество информации (негэнтропия растет).
3. Управление процессами и сохранение динамического равновесия систем основано на принципе обратной связи, когда на основе полученных обратных сигналов система возвращается в исходное состояние. Самоорганизация открытых систем опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры.
4. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае коллективное поведение элементов системы может не проявиться (самоорганизация не наступает).
5. Чем выше в своем эволюционном развитии находится система, тем более сложными и многочисленными будут факторы, которые влияют на ее самоорганизацию.
Контрольные вопросы
1. Опишите явление, известное под названием «ячейки Бенара».
2. Почему работа лазера рассматривается как проявление самоорганизации?
3. Что такое «химические часы»?
4. Объясните утверждение: «рынок – открытая система».
5. Что является причиной нарушения симметрии и равновесности рынка как самоорганизующейся системы?
6. Что является проявлением энтропии в социальных и экономических системах?
7. В чем главное отличие социально-экономической и культурной эволюции от эволюции биологической?
8. Какое свойство обеспечивает преемственность биологической и социально-культурной эволюции?
9. Как связаны информация и энтропия?
10. Объясните сходящуюся спираль как модель развития систем.
11. Всегда и развитие имеет поступательный характер?
12. Что является предпосылкой перестройки, разрушения прежней структуры?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Абдеев Р.Ф. Философия информационной цивилизации. – М., 1994.
Лекция 26. Естествознание в мировой культуре
| 1. Проблема двух культур 2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего Контрольные вопросы |
Существует множество определений культуры. Культура проявляется как в предметных результатах человеческой деятельности, способах ее осуществления (материальная культура), так и в субъективных силах и способностях людей, в правовых, моральных, религиозных, эстетических и др. нормах, которое общество требует от своих членов. Крупнейший социолог современности П. Сорокин определил культуру как систему ценностей, с помощью которых общество интегрируется, поддерживает функционирование и взаимосвязь своих институтов. Таким образом, и наука, включая естествознание, является одной из важнейших форм культуры.
Вслед за делением культуры на материальную и духовную в 20-м веке установилось деление культур на естественнонаучную и гуманитарную. Раздел между ними проходил не только на страницах специальных научных работ, но и в обществе. Во 2-й половине 20-го века стали говорить об отчуждении двух культур – естественнонаучной и гуманитарной. В 60-х годах вышла публицистически острая книга английского ученого и писателя Ч. П. Сноу «Две культуры и научная революция» (в русском переводе - в 1973 г., изд. «Прогресс»), в которой он констатирует раскол между гуманитарной и естественнонаучной культурой на две части, являющих собой как бы два полюса, две «галактики» [1]. Рассмотрим и проанализируем эту проблему.
1. Проблема двух культур
В своей книге Ч. Сноу пишет: «…На одном полюсе – художественная интеллигенция, на другом – ученые, и, как наиболее яркие представители этой группы – физики. Их разделяет стена непонимания и иногда (особенно среди молодежи) антипатии и вражды, но главное, конечно, непонимания. У них странное, извращенное представление друг о друге. Они настолько по-разному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общий язык даже в области чувств.» Здесь речь идет, конечно, о западном обществе. В Советском Союзе в то время такого антагонизма и враждебности не было, однако отзвуки этого конфликта проявились в споре т.н. «физиков» и «лириков» на страницах советской периодической печати, на дискуссиях в популярных в то время «молодежных кафе» и т.п. Это были споры о взаимоотношении техники и природы, перспективах развития кибернетики, о моральной стороне медицинских и генетических экспериментов на животных и человеке и т.п. Общим было то, что научные исследования противопоставлялись духовной работе, духовному совершенствованию, исследователей в области естественных и технических наук обвиняли в подрыве нравственных законов.
Таким образом, на исходе 20-го века западный мир пришел к разделению рационального, естественнонаучного и духовного (гуманитарного). Этика при этом попала в сферу иррационального, сферу духовной жизни, а наука, некогда инструмент духовного развития, оказалась целиком поставленной на службу материальным потребностям.
Гармония единства двух культур начала разрушаться уже в 19-м веке. Причин тому множество. Здесь и узкая профессионализация, связанная с усложнением, углублением знания о мире, и формирование общества потребления, в котором научные достижения рассматриваются исключительно с позиций материальных благ , которые они обеспечивают, и появление благодаря научным открытиям нового мощного оружия, и экологические проблемы.
Немаловажную роль в этом процессе сыграли мировоззренческие интерпретации некоторых открытий в области естественных наук. Ярким примером в этом смысле явилось эволюционное учение Дарвина. Люди наивные, далекие от науки часто полагают, что главное в учение Дарвина – это происхождение человека от обезьяны. Однако это вовсе не так. Действительно, так ли уж важно, каким материалом воспользовался Творец для создания человека, и чем обезьяна хуже глины? Еще задолго до Дарвина великий классификатор К. Линней нашел сходство между человеком и обезьяной настолько близким, что отнес их к одному отряду. И это, в общем, никого особенно не смутило. Кстати, вопреки расхожему мнению, Дарвин никогда не утверждал, что человек произошел от обезьяны, а говорил о том, что у них был один общий предок. Взрывным же эффектом обладала разработанная им теория естественного отбора.
Действительно, борьба за существование в природе не позволяла признать природное начало в человеке источником добра, подрывая основы сократовской этики. Если человек не просто испорчен или грешит по неведению, то это не его вина, а вина того, кто его таким создал. Где же, в этом случае нравственный идеал, к которому стоит стремиться? И Дарвин, не будучи вовсе злым человеком, позволил себе отбросить сострадание к слабым как тормоз на пути общественного прогресса и оправдать уничтожение тасманийцев британскими войсками (что делать, если туземцы оказались менее приспособленными). Принцип естественного отбора, как в кривом зеркале, отобразился в так называемой теории социал-дарвинизма. Он использовался, в частности, для обоснования естественного права британцев управлять другими нациями. Эрнст Геккель, последователь Дарвина, основатель экологии, был также основателем немецкого национал-романтизма, на почве которого впоследствии выросла идеология третьего рейха. Как известно, последняя опиралась также и на философию Ф. Ницше, который во втором периоде своего творчества пришел к выводу, что природное неравенство людей неизбежно делает одних жертвами других в борьбе за существование. Ч. Дарвин считал, что если его теория верна, то в природе невозможен альтруизм, так как альтруист, готовый жертвовать собой, не оставляет потомства и не передает своих качеств по наследству. А. Уоллес и Т. Хаксли полагали, что этика несовместима с естественным отбором и борьбой за существование , и, следовательно, не может быть продуктом эволюции, а скорее всего происходит из сфер, недоступных человеческому разуму.
Таким образом, вторжение естественной науки – биологии в духовную жизнь общества заставило говорить о кризисе науки и ее разрушительном действии на человека. Об этом так или иначе говорилось в произведениях Флобера, Доде, Тургенева (вспомним его Базарова). Толстой предсказывал, что мода на Ницше скоро отойдет, как и моде на Дарвина «с его борьбой». Крупный российский ученый-палеонтолог В. Красилов ([4]) считает, что великая морализирующая литература второй половины 19-го века была реакцией на дарвинизм.
В итоге развитие естествознания привело к кризису науки, этическое значение которой ранее усматривали в том, что она постигает величественную гармонию Природы – образец совершенства как цели человеческого существования. Дарвинизм, отрицая изначальную гармонию и провозглашая борьбу движущей силой развития, лишил естествознание его традиционных этических функций.
И лишь в конце 20-го века появился новый взгляд на теорию эволюции, не отрицающий дарвинизм, но утверждающий, что характер эволюции изменяется с течением времени, т.е. эволюционирует сама эволюция: значение тех или иных признаков приспособленности и неприспособленности, по которым осуществляется естественный отбор, в процессе эволюции и биологического прогресса падает или возрастает, как, например, роль индивидуального развития, роль индивида в историческом развитии, что трактовка естественного отбора как процесса выживания сильнейших, наиболее приспособленных некорректна, что альтруизм как элемент биоэтики в природе существует и является одним из факторов, по которым происходит отбор.
Наука и мистицизм. Немецкому философу К.Ясперсу (1883-1969) принадлежит следующее высказывание: «Наука доступна лишь немногим. Будучи основной характерной чертой нашего времени, она в своей подлинной сущности тем не менее духовно бессильна, так как люди в своей массе, усваивая технические возможности или догматически воспринимая ходульные истины, остаются вне ее… Как только это суеверное преклонение перед наукой сменяется разочарованием, мгновенно следует реакция – презрение к науке, обращение к чувству, инстинкту, влечению. Разочарование неизбежно при суеверном ожидании невозможного: наилучшим образом продуманные теории не реализуются, самые прекрасные планы разрушаются, происходят катастрофы в сфере человеческих отношений, тем более непереносимые, чем сильнее была надежда на безусловный прогресс ». И вот тогда на место дискредитированной науки приходят маги, колдуны, прорицатели и чудотворцы. Непонимание, отсутствие интереса к действительным достижениям естественных наук создает тот вакуум, который с легкостью заполняется мистицизмом. Появляется множество целителей, основателей мистических школ и т.п. Интересно, что многие из них называют себя учеными, выступают от имени «подлинной науки», оперируя «научными» понятиями (положительная, отрицательная энергетика, «черная энергия» и т.п.). Люди, в своем большинстве, в глубине души суеверны, и если научные истины можно уподобить свету, то этот свет, как справедливо отмечено в [6], преломляется в суеверном сознании.
Мистику, мистический опыт определяют как тип интенсивного религиозного опыта, при котором субъект чувствует себя сливающимся с «космической тотальностью». Мистическое сознание всегда включает веру в непосредственную связь со сверхъестественным. Самым древним проявлением мистического сознания является шаманизм, реанимация которого в современной культуре отмечается рядом исследователей. Шаман – человек, прошедший курс специального психологического тренинга, может вызывать у себя и у других людей необычное, экстатическое состояние сознания. Исследователи шаманизма отмечают, что состояние экстаза, по-видимому, позволяет шаману сосредоточить внимание на тех слабых сигналах, улавливаемых органами чувств, которые обычно проходят мимо сознания. Отключение высших центров мозга может вызываться ритмическими, монотонно повторяющимися звуками, чередованием световых пятен, геометрических фигур и т.п. Достигаемые различными способами «путешествия в иные миры», по-видимому, означают не что иное, как проникновение в собственное подсознание, заполненное первобытными инстинктами, воспоминаниями детства человеческого рода и элементами коллективного бессознательного. Эти психические явления безусловно надо изучать профессионально, однако и наука, и такие религии как христианство, ислам предостерегают от самодеятельного увлечения экспериментированием в этой области, так как подобные опыты часто оказываются пагубными для психики.
Мистицизм имеет объективные причины и поэтому увлечение им будет, периодически возникать и в дальнейшем, особенно в переломные исторические эпохи. К важнейшим истокам мистицизма относятся:
· бессилие отдельного человека перед природными и общественными силами, проявляющееся в виде суеверного страха,
· потребность человека в вере,
· поиски смысла человеческой жизни.
Само научное познание в 20-м веке оказалось источником мистицизма. Для объяснения непонятных явлений приходится иногда выдвигать поистине «сумасшедшие» идеи. В начале нашего курса говорилось о возрождении холистического (см. холизм, интегратизм), целостного взгляда на мир, в противоположность редукционизму. Однако наряду с положительным значением этого процесса надо отметить и связанное с ним мифологическое отождествление всего со всем, отход от естественных, структурных взаимосвязей явлений.
Отмечается и увлечение некоторых ученых внешней аналогией между современной физической картиной мира и мистическими образами Древнего Востока (Эйнштейн, в частности говорил о буддизме, что это единственная религия, которая совместима с научным мировоззрением). Некоторые даже склоняются к мысли, что они глубже и совершеннее отражают физическую реальность. Показательна в этом отношении книга философа и физика-теоретика Фритьофа Капры «Дао физики», в которой он для преодоления парадоксальной природы некоторых явлений в области ядерной физики и квантовой механики старается применить к ним интуитивно-созерцательный подход, характерный для духовных и философских учений Востока. Тем не менее, параллели между физикой и мистикой скорее отражают законы психической деятельности человека, а не объективные физические законы материального мира [7].
Вопрос о ценности науки. С одной стороны, наука пользуется уважением, на нее расходуются огромные средства. В этом есть что-то от поклонения идолам, требующим жертв – человеческих жизней, но не в том романтическом смысле, когда ученый посвящает свои жизнь науке, а когда жертвами ее становятся люди, прямого отношения к ней не имеющие (жертвы постоянно совершенствуемого оружия, жертвы рискованных экспериментов, приводящих к авариям, катастрофам, нарушению экологического равновесия). Тогда общество приходит к другой крайности – желание попрать своего идола – науку. Ценность науки, образования в глазах людей падает.
Высказываются также мнения (П.Фейерабенд) о том, что достижения науки – нечто весьма призрачное. Древние народы переплывали океан на судах, обладавших зачастую лучшими мореходными качествами, чем современные суда, знали навигацию и свойства материалов и т.п. В этом есть доля истины. Нельзя умалить заслуг первых мореплавателей, земледельцев и животноводов. Но все же пар и электричество, атомная энергия, ЭВМ, расшифрованный генетический код – это совершенно другая цивилизация. Вопрос о том, лучше ли она древней, или хуже, бессмыслен, так как история необратима. Наука и образование не сделали людей счастливыми. Но означает ли это, что путь к всеобщему счастью лежит через возврат к невежеству? Имеет ли наука реальную ценность для человечества? Если ценность науки измерять только ее практическими применениями , то одного существования ядерного оружия достаточно для того, чтобы поставить эту ценность под сомнение [6].
А. Печчеи – организатор и первый президент Римского клуба [1] будучи убежденным в духовной силе научного сообщества, в его способности стать решающим политическим и культурным фактором современности, писал: «Известно, что сегодня в мире больше ученых, чем их было за все предшествующие века. Как социальная группа они представляют собой сейчас достаточно реальную силу, чтобы недвусмысленно и во весь голос заявить о необходимости всесторонне оценивать технический прогресс и потребовать постепенного введения контроля за его развитием в мировых масштабах ». Однако мировое научное сообщество совсем не однородно и, к сожалению, состоит не только из одних бескорыстных интеллектуалов-гуманистов, озабоченных судьбами человечества.
Критика общественного порядка и культуры, в которых наука может использоваться как орудие уничтожения и самоуничтожения, присуща различным социально-философским теориям. При этом утверждается порочность, тупиковый характер европейской культуры. В науке же усматривают «дьявольское перерождение» духа, соблазненного призраком неограниченной власти над природой и людьми, над жизнью и смертью . (Такой властью дьявол в пустыне соблазнял Иисуса). Человеческий разум, ослепленный гордыней, не видит, что его бесчисленные завоевания – путь к духовной пустоте. Жажда познания, будучи оторвана от идеалов Добра и Красоты, направляется только волей к власти и оборачивается неодолимым роком человечества. Русские религиозные философы усматривали здесь следствие утраты нравственных и религиозных ценностей [6].
Проблема двух культур – духовной (гуманитарной) и естественнонаучной рассматривается также в контексте двух важнейших понятий – культуры и цивилизации. Русские философы (Н. Бердяев, И. Ильин) противопоставляли культуру (явление внутреннее, органические, воплощенное в идеалах и ценностях) и цивилизацию (материализованные, «опредмеченные», усваиваемые поверхностно, без душевного участия реализации идеалов и ценностей). Тем не менее, отношения культуры и цивилизации намного сложнее простой оппозиции. Испанский философ и писатель М. де Унамуно писал: «Все цивилизации служат тому, чтобы порождать культуры, а культуры – чтобы порождать человека». Наш современник, сравнительно недавно ушедший из жизни, выдающийся грузинский философ М.Мамардашвили также подчеркивал, что вне цивилизации культура безжизненна. Цивилизация – это та сила, которая «блокирует энергию зла», примитивные и разрушительные инстинкты, стихию невежества или же опасную разнузданность разума, соблазненного волей к власти.
Разрыв цивилизации и культуры обращает цивилизацию против человека. Наука же является одним из важнейших узлов, связывающих культуру и цивилизацию . Она одновременно принадлежит и культуре и цивилизации, и в этом заключается ее сила и ее слабости. Дело в том, что наука воплощает в себе двойственность и противоречивость познания. Она создает, конструирует модель мира на основе добытых знаний, делает культуру частью этого мира и, в то же время постоянно разрушает свое собственное единство, выходит за рамки установленных ею же понятий, преступает пределы наличных (т.е. имеющихся на настоящий момент) возможностей познания, реализованных культурой. Наука, таким образом, не только порождение культуры, но и сила, творящая культуру.
2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего
Двойственный характер науки. Никогда в истории будущее так не зависело от настоящего: человечество стало смертным и даже, как говорил булгаковский Воланд, «внезапно смертным». Коллективное самоубийство человечества стало реальной возможностью (в результате оплошности или злого умысла). В то же время , никогда в истории человечество не располагало и столь мощными средствами защиты от катастроф, а также столь глубокой перспективой развития. И то и другое стало возможным благодаря науке [6]. Часто говорят и пишут, что в 21-м веке биология станет отдной из ведущих наук. В настоящее время реализуется гигантский проект расшифровки генома человека – последовательности 3,5 млрд. нуклеотидных оснований. Однако высказываются обоснованные опасения, что и эти достижения могут быть использованы против человечества. Возможность формирования и изменения генома человека путем генной инженерии может привести к непредсказуемым последствиям. Многое зависит от того, в чьих руках окажутся достижения естественных наук, и как дальше они будут использоваться. В то же время не секрет, что огромная доля в финансировании научных исследований принадлежит военным ведомствам.
В 1975 г. ведущие ученые-биологи пошли на заключение добровольного моратория на проведение определенных экспериментов в биологических институтах, занимавшихся проблемами генной инженерии (эксперименты с кишечной палочкой и т.п.). Причина этого решения заключалась в том, что молекулярная биология, совершив резкий рывок, вышла к возможности конструирования живых организмов с заданными свойствами – это открывало перед наукой колоссальные перспективы практического применения. Но среди возможных практических приложений генной инженерии могли оказаться и такие, которые поставили бы под вопрос само существование человечества (например, использование биологического оружия или даже случайная небрежность, из-за которой лабораторный материал мог войти в соприкосновение с биосферой планеты с непредсказуемыми последствиями).
Осознание пагубности взаимного отчуждения гуманитарной и естественнонаучной пришло не сразу. Следует отметить, что естественные науки осознали необходимость интеграции знаний еще в 19-м веке. Однако в то время еще не была выработана глобальная общенаучная идея, на основе которой может происходить интеграция накопленных человеком знаний. В настоящее время считается, что такой основой может стать концепция глобального эволюционизма , эволюционно-синергетическая парадигма . В эволюционно-синергетическом подходе заложен гуманизм как признание самоценности человеческой личности, как понимание диалога и сотрудничества в качестве необходимых условий существования человека. Это означает интеграцию естественнонаучных и гуманитарных знаний, интеграцию двух культур.
Важно иметь в виду и то, что истинно культурный человек принадлежит одновременно двум культурам, это «человек двух культур». Если же говорить о крупных личностях, то многие из них достигли высот и в науке, и в искусстве. И это справедливо не только для античности, средневековья, эпохи Возрождения, но и для более поздних веков. Таковы Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, И.-В. Гете (поэт и биолог-натуралист), А.П. Бородин (ученый химик и знаменитый композитор), И.А. Ефремов (ученый-палеонтолог и писатель), Л.Н. Гумилев (историк и географ). А.Л. Чижевский – основоположник науки о влиянии солнечных процессов на земные события, в том числе и на социальные потрясения – известен как историк, С. Лем (философ, писатель-фантаст, биолог), И.Р. Шафаревич (видный математик, историк, обществовед), Б.В. Раушенбах (один из теоретиков космонавтики, знаток русской истории, иконописи и богословия).
Наука как мощная цивилизующая сила становится частью культуры, если существует равновесие культуры и цивилизации. Тогда профессиональная деятельность ученых не только служит цивилизации, но и получает положительную оценку в общественном сознании. Когда же равновесия нет, страдают и наука, и общество. Необходимым условием современного существования науки является ее профессионализация (т.е. наука как профессия). Однако ни в коем случае нельзя противопоставлять профессиональную сторону науки ее ценностному смыслу.
У человечества нет иного выбора: либо с помощью науки разрешать противоречия бытия, угадывать и исполнять свое предназначение, либо прийти к завершению своего существования.
Контрольные вопросы
1. В чем проявился раскол на «две культуры»?
2. Почему учение Дарвина стало вызовом сложившимся этическим представлениям в обществе?
3. Поясните утверждение «этика несовместима с естественным отбором».
4. Как отразилось в литературе освоение обществом идей эволюционной теории Дарвина?
5. Как трактуется принцип естественного отбора в современных исследованиях?
6. В чем заключается проблема ценности науки?
7. Что такое мистицизм, в чем его причины и истоки?
8. Есть ли связь между научным познанием и мистицизмом? Поясните.
9. Какую роль играет наука в контексте культуры и цивилизации?
10. В чем проявляется двойственный характер науки? Приведите собственные примеры.
11. Как по-вашему, правомерны ли запреты на проведение научных исследований в той или иной области? Обоснуйте Ваш ответ.
12. Какая глобальная научная идея мыслится в качестве основы для интеграции двух культур и почему?
Литература
1. Волков Г. Три лика культуры. – М.: Молодая гвардия, 1986.
2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
4. Красилов В. Эволюция, Дарвин и современность. – «Знание –Сила», №2, 1997.
5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.: Гардарики, 1999.
6. Порус В. И все-таки знание – сила. - «Знание –Сила», №1, 1995.
7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.:Владос, 1998.
8. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1997.
9. Сноу Ч.П. Две культуры. М. “Прогресс”, 1973.
[1] Римский клуб – созданная в 1968 г. неправительственная международная организация ученых, общественных и политических деятелей, привлекшая общественное внимание к глобальным проблемам современности, связанных с научно-техническим прогрессом и экономическим ростом.
ПРОГРАММА КУРСА
"Концепции современного естествознания"
для направлений 521500, 521600, 522000,
специальностей 060300,060400,060800,0,6100, 061400
| 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА |
|
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
Цель курса - ознакомление студентов, обучающихся по гуманитарным направлениям, с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием - и формирование целостной системы взглядов на окружающий мир. Данная дисциплина представляет собой не просто совокупность избранных глав традиционных курсов физики, химии, биологии и экологии, является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подхода к современному естествознанию. Ее эффективное преподавание возможно на основе применения новой мировоззренческой парадигмы, способной объединить оба компонента культуры и раскрыть универсальную роль метаязыка, синтезирующего фундаментальные законы естествознания, философии и синергетики.
Настоящая программа составлена в соответствии с примерной программой дисциплины "Концепция современного естествознания", утвержденной Главным управлением образовательно-профессиональных программ и технологий Госкомвуза России, а также в соответствии с дополнительными требованиями (вузовско-региональным компонентом) к обязательному минимуму содержания и к уровню подготовки бакалавров и специалистов в Уфимском государственном авиационном техническом университете.
2. ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ
По окончании курса студент должен иметь представление:
- об истории развития естествознания;
- об особенностях современного естествознания; о концепциях пространства и времени;
- о принципах симметрии и законах сохранения;
- о корпускулярной и континуальной традициях в описании природы;
- о динамических и статистических закономерностях в естествознании;
- о соотношении порядка и беспорядка в природе, упорядоченности строения физических объектов, переходах из упорядоченных в неупорядоченные состояния и наоборот;
- о самоорганизации в живой и неживой природе;
- об иерархии структурных элементов материи от микро- до макро- и мегамира;
- о взаимодействиях физических, химических и биологических процессов; о специфике живого, принципах эволюции, воспроизводства и развития живых систем, их целостности и гомеостазе; об иерархичности, уровнях организации и функциональной асимметрии живых систем;
- о биологическом многообразии, его роли в сохранении устойчивости биосферы и принципах систематики;
- о физиологических основах психики, экологии и здоровья человека;
- о сообществах организмов, экосистемах, о месте человека в эволюции Земли, о ноосфере и парадигме единой культуры.
3. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ КУРСА
Всего часов - 112, из них аудиторной работы 64 часа, в том числе:
лекций - 52 час.
практических занятий (семинары и просмотр и обсуждение видеофильмов) -8 час.,
лабораторные работы - 4 час.
Итоговой формой контроля является экзамен.
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1. Две культуры как отражение двух типов мышления
Естествознание как Проблема двух культур: от конфронтации к сотрудничеству. Развитие личности и потребность в гармонии. Специфика естественнонаучного и художественного метода познания действительности. Этапы развития естественнонаучного мышления и смена типов научной рациональности. Естественно-научные революции. Научные картины мира.
Тема 2. Физика глазами гуманитария. Физические картины мира.
Физика необходимого. От физики Аристотеля к физике Ньютона. Состояние физической системы и его изменение со временем. Механическая картина мира. Классические представления об объективности познания природы: концепция независимости результатов познания от средств наблюдения.
Физика возможного. Недостаточность классического описания природы. Микро- и макроописание природы. Вероятность как атрибут сложных систем. Энергия, температура, энтропия. Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния. Фазовые переходы. Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени.
Тема 3. Физика как целое.
Иерархия структур природы. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий. Атомное ядро. Молекулы и реакционная способность веществ. Макроскопические тела. Фазовые переходы Мега-, макро- и микромир. Космологическая картина мира. Эволюция Вселенной. Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип.
Тема 4. Жизнь. Биологическая картина мира.
Химическая эволюция Земли. Понятие самоорганизации в химии. Неорганические и органические соединения и их многообразие. Общая теория химической эволюции и биогенеза. Макромолекулы, гиперцикл и зарождение жизни. Теории возникновения жизни. Жизнь во Вселенной. Задачи и методы биологии. Особенности биологической формы организации материи.
Живые системы. Специфика и системность живого. Уровни организации живых систем. Термодинамические особенности живых систем. Целостность, гомеостаз. Организм как целостная система, его системная организация. Цели и специфика управления в живых системах. Информационные связи внутри организма.
Эволюционное учение. Эволюционная теория Дарвина-Уоллеса. Синтетическая теория эволюции. Популяция. Вид. Микроэволюция. Макроэволюция. Факторы эволюции. Формы естественного отбора. Подтверждение теории эволюции.
Тема 5. Биосфера и цивилизация
Популяции, сообщества, экосистемы. Принципы их организации. Формы биологических отношений в сообществах. Круговороты вещества и энергии. Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости. Многообразие биологических видов - основа организации и устойчивости биосферы. Антропогенные воздействия на биосферу. Экология. Принципы взаимодействия организма и среды обитания. Глобальные экологические проблемы. Причины их возникновения. Понятие здоровья населения, как комплексного критерия состояния окружающей среды. Экология и мировоззрение.
Тема 6. Основные концепции и перспективы биологии
Биология ХХ в. Биотехнология и перспективы ее развития (микробиология, инженерная энзимология, генная и клеточная инженерия).
Тема 7. Эволюционно-синергетическая парадигма
Основные понятия и принципы синергетики. История возникновения научного направления. Виды систем. Бифуркации. Диалектика и теория катастроф: структурная устойчивость, универсальность, признаки и непредсказуемость катастроф. Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества. Аттракторы. Параметры порядка. Универсальные сценарии перехода к хаосу. Гармония в хаосе.
Гуманитарные приложения синергетики. Законы самоорганизации как объяснительный принцип волновых процессов в общественном развитии. Синергетика как общенаучная основа анализа динамики социальных систем. Концепции теории катастроф применительно к социально-экономической сфере.
5. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (по 4 час.)
4.1 Моделирование процесса самоорганизации на ПЭВМ. Фрактальные структуры.
6. ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ И СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ
5.1. Естественно-научное и гуманитарное знание. Проблема двух культур. - 2 часа.
5.2. Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной - 2 часа.
5.3 Биологическая форма организации материи - 2 часа.
5.4 Эволюционно-синергетическая парадигма - 2 часа
7. РАСЧЕТ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ (для 522000, 061400)
| N |
Наименование разделов |
Количество часов |
||||
| п/п |
Всего |
Лекции |
Практ. |
Лаб. |
СРС |
|
| Введение. Цели и задачи курса. |
1 |
1 |
||||
| 1 |
Две культуры как отражение двух типов мышления |
7 |
3 |
2 |
2 |
|
| 2 |
Физика глазами гуманитария: образы физики |
8 |
4 |
4 |
||
| 3 |
Физика необходимого |
10 |
6 |
4 |
||
| 4 |
Физика возможного |
12 |
6 |
6 |
||
| 5 |
Физика как целое |
12 |
6 |
2 |
4 |
|
| 6 |
Жизнь |
11 |
6 |
1 |
4 |
|
| 7 |
Живые системы |
9 |
4 |
1 |
4 |
|
| 8 |
Биосфера и цивилизация |
14 |
6 |
8 |
||
| 9 |
Основные концепции и перспективы биологии |
4 |
2 |
2 |
||
| 10 |
Эволюционно-синергетическая парадигма |
20 |
6 |
2 |
4 |
8 |
| 11 |
Гуманитарные приложения синергетики |
4 |
2 |
2 |
||
| Итого |
112 |
52 |
8 |
4 |
48 |
|
8. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Лабораторные работы проводятся в дисплейном классе на компьютерных моделях.
4.1 Основная
1. Концепции современного естествознания /под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 1997.
2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М: Культура и спорт, 1997.
3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М: Центр , 1997.
4. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
5. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М.: Изд-во «Агар», 1996.
6. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. М.: Владос, 1998.
4.2 Дополнительная
1. В помощь изучающим курс "Концепции современного естествознания" \Методические указания, сост. И.В. Александров, Н.Н. Красногорская, Н.Ю. Цвиленева, Э.Ф. Легушс. - Уфа, Изд. УГАТУ, 2000.
2. Дж. Мэрион. Физика и физический мир. М.: МИР, 1995.
3. Б.И. Спасский. Физика для философов. - М.:МГУ,1998.
4. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
5. П. Кемп. Введение в биологию. М.: Мир, 1986.
6. Е.Л. Фейнберг. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.: Наука,1992.
7. И. Пригожин, И. Стенгерс. Время, хаос, квант. М.: Прогресс, 1994
8. Г. Николис, И. Пригожин. Познание сложного. - М.: Мир, 1990.
9. Г. Хакен. Информация и самоорганизация. М.: Мир, 1991.
10. Н.К. Удумян. Концепция самоорганизации и проблемы молекулярной эволюции. -М.: Наука, 1994.
11. Самоорганизация и наука. Опыт философского осмысления. М.: Арго,1994.
12. Х.О. Пайтген, П.Х. Рихтер. Красота фракталов. М.: Мир, 1993.
13. Фрактальные системы. /методические указания к лабораторным работам по курсу «Концепции современного естествознания», сост. Н.Н. Красногорская, Н.Ю. Цвиленева, Уфа, УГАТУ, 1997.
14. Б. Небел. Наука об окружающей среде. Том 1,2. М.: Мир, 1993.
15. Н.Ф. Реймерс. Экология. - М.: Россия молодая, 1994.
16. М. Ичас. О природе живого: механизмы и смысл. - М. :Мир, 1994.
17. В.И. Вернадский. Ноосфера. М.: Наука, 1994.
18. Р.Ф. Абдеев. Философия информационной цивилизации. - М.: ВЛАДОС,
19. Волновые процессы в общественном развитии / В.В. Василькова, И.П. Яковлев, И.Н. Барыгин и др. - Новосибирск: Изд-во Новосиб.ун-та,1992.
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
|
Смотреть все комментарии (20)
Работы, похожие на Реферат: Концепции современного естествознания 14
 |
|
 |
||
Меню |
||||
|
Главная Рефераты Благодарности |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
||
Опрос |
||||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|||
|
|
|
||