Концепции современного естествознания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

____________________________________________________________________________

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный торгово-экономический университет»

Пермский институт (филиал)

Кафедра: коммерция торгового дела

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему «Концепции современного естествознания»

Работу выполнил: студент

Преподаватель:

Защищена с оценкой

__________________________________

Дата _____________________

Подпись __________________

Пермь 2007

1. Классическая механика - фундамент естественнонаучной теории

Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

Возникновение и развитие классического естествознания

Новый величайший переворот в системе культуры происходит в эпоху Возрождения, которая охватывает ХIV -начало XVII в. Эпоха Возрождения - эпоха становления капиталистических отношений, первоначального накопления капитала, восхождении социально-политической роли города, буржуазных классов, складывания абсолютистских монархий и национальных государств, эпоха глубоких социальных конфликтов, религиозных войн, ранних буржуазных революций, возрождения античной культуры, эпоха титанов мысли и духа.

В первую половину средневековья, длившегося более тысячелетия, в Европе господствовала библейская картина мира, сменившаяся затем догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно накапливавшиеся астрономические наблюдения подтачивали основы этой картины. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Все многочисленные попытки увеличения ее точности достигались за счет ее все прогрессирующего усложнения. Уже в средневековье сосуществовало несколько моделей планетных движений, но все они опирались на геоцентризм и, в конце концов, сводились к системе Птолемея, лишь усложняя ее.

Птолемеевская система не только не позволяла давать точные предсказания; она еще страдала явной несистематичностью, отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, свои собственные законы движения. В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Строго говоря, геоцентрическая теория не была геоцентрической системой, так как объектом этой теории система планет (или планетная система) и не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях, не связанных в некоторое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, без попыток раскрыть истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал последние две задачи вообще неразрешимыми. Установка на поиск внутреннего единства и системности и была той стержневой основой, вокруг которой концентрировались непосредственные предпосылки геоцентрической системы.

Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник (1473 - 1543). Еще в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения “Альмагеста”, восхищение математическим гением Птолемея сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал в подлинниках сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли. (В древности кроме Аристарха Самосского гелиоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем и Экфантом, учеником Аристотеля Гикетом Сиракузским и др.

Обладая широким складом мышления, Коперник первым взглянул на весь накопившийся за тысячелетия опыт астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевой системы либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Н. Коперник был движим идеей внутреннего единства и системности астрономического знания; он искал простоту и гармонию в природе, ключ к объяснению единой сущности многих; кажущихся различными явлений. Результатом этих поисков и явилась гелиоцентрическая система мира.

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Этой простотой и точностью сразу же воспользовались в практических целях. На ее основе составили “Прусские таблицы” (Э. Рейнгольд, 1551 г.). Она позволила уточнить длину тропического года и провести в 1582 г. давно назревшую реформу календаря. В результате был введен новый, или григорианский, стиль.

В чем же действительное достоинство, привлекательность и истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания?

Любое новое всегда возникает на базе и в системе старого. Коперник не был в этом отношении исключением. Он во многом еще разделял представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звезд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, было для Коперника одним из мотивов поисков иных, негеоцентрических походов к описанию движений планет.

И, кроме того, Коперник стремился создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствии такой простоты и стройности, системности Коперник и увидел коренную несостоятельность теории Птолемея. В этой теории отсутствовал единый стержневой принцип, который мог бы объяснить системные закономерности в движениях планет. Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. И потому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной.

В системе Коперника впервые получила объяснение загадочная прежде последовательность размеров первых, или главных, эпициклов у верхних планет, введенных Птолемеем для описания петлеобразных движений планет. Размеры их оказались убывающими с удалением планеты от Земли. Движение по этим элициклам, равно как и движение по деферентам для нижних планет, совершалось с одним и тем же годичным периодом, равным периоду обращения Солнца вокруг Земли. Все эти годичные круги геоцентрической системы оказались излишними в системе Коперника. Петлеобразные движения планет теперь объяснялись одной единственной причиной -годичным движением Земли вокруг Солнца. В различии же размеров петель (и, следовательно, радиусов соответствующих эпициклов) Коперник правильно увидел отображение того же орбитального движения Земли: наблюдаемая с Земли планета должна описывать видимую петлю тем меньшую, чем дальше она от Земли.

Более того, это глубокое объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца. Коперник понял, что этими расстояниями планет были величины, обратные радиусам первых зпициклов для внешних планет и совпадающие с радиусами деферентов - для внутренних. (Таким образом, то, что Птолемей считал в принципе непостижимым, на самом деле уже содержалось в скрытом виде в его системе.) Таким образом он получает весьма точные относительные расстояния планет от Солнца (в расстояниях Земля - Солнце, т. е. в астрономических единицах, выражаясь современным языком)

Логическая стройность, четкость, простота и совершенство теории Коперника, ее способность объяснить немногими причинами то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось совершенно искусственно, связывать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями - несомненные достоинства этой теории; они свидетельствовали о ее истинности. Наиболее проницательные мыслители, ученые это поняли сразу.

Теория Коперника содержала в себе колоссальный творческий, мировоззренческий и теоретико-методологический потенциал. Ее историческое значение трудно переоценить.

В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.

С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной,несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на кеплеровы законы (а, возможно, и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).) у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества - возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.

За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.

Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:

- Галилей разграничивает понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

- формулирует понятие ускорения (скорость изменения скорости);

- показывает, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

- выводит формулу, связывающую ускорение, путь и время S = 1 / 2 ( a t І );

- формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);

- вырабатывает понятие инерциальной системы;

- формулирует принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

- открывает закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х.Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.

Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.

Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж.Борелли, Гук и др.).

Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И.Ньютона (1643 - 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков “конечных причин” явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.

С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы - закона всемирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу,что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.

Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной)фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.

Формирование основ классической механики было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин - характеристик исследуемых движений Ньютон назвал “методом флюксий” и описал его в сочинении “Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых” (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Несмотря на свой знаменитый девиз “Гипотез я не измышляю””, Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии.

Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов - центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог...

Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И.Кант.

2. Здоровье человека и экологические проблемы.

Все процессы в биосфере взаимосвязаны. Человечество - лишь незначительная часть биосферы, а человек является лишь одним из видов органической жизни - Homo sapiens (человек разумный). Разум выделил человека из животного мира и дал ему огромное могущество. Человек на протяжении веков стремился не приспособиться к природной среде, а сделать ее удобной для своего существования. Теперь мы осознали, что любая деятельность человека оказывает влияние на окружающую среду, а ухудшение состояния биосферы опасно для всех живых существ, в том числе и для человека. Всестороннее изучение человека, его взаимоотношений с окружающим миром привели к пониманию, что здоровье - это не только отсутствие болезней, но и физическое, психическое и социальное благополучие человека. Здоровье - это капитал, данный нам не только природой от рождения, но и теми условиями, в которых мы живем.

Химические загрязнения среды и здоровье человека.

В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще становится основным источником загрязнения биосферы. В природную среду во все больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы производств. Различные химические вещества, находящиеся в отходах, попадая в почву, воздух или воду, переходят по экологическим звеньям из одной цепи в другую, попадая в конце концов в организм человека.

На земном шаре практически невозможно найти место, где бы не присутствовали в той или иной концентрации загрязняющие вещества. Даже во льдах Антарктиды, где нет никаких промышленных производств, а люди живут только на небольших научных станциях, ученые обнаружили различные токсичные (ядовитые) вещества современных производств. Они заносятся сюда потоками атмосферы с других континентов.

Вещества, загрязняющие природную среду, очень разнообразны. В зависимости от своей природы, концентрации, времени действия на организм человека они могут вызвать различные неблагоприятные последствия. Кратковременное воздействие небольших концентраций таких веществ может вызвать головокружение, тошноту, першение в горле, кашель. Попадание в организм человека больших концентраций токсических веществ может привести к потере сознания, острому отравлению и даже смерти. Примером подобного действия могут являться смоги, образующиеся в крупных городах в безветренную погоду, или аварийные выбросы токсичных веществ промышленными предприятиями в атмосферу.

Реакции организма на загрязнения зависят от индивидуальных особенностей: возраста, пола, состояния здоровья. Как правило, более уязвимы дети, пожилые и престарелые, больные люди.

При систематическом или периодическом поступлении организм сравнительно небольших количеств токсичных веществ происходит хроническое отравление.

Признаками хронического отравления являются нарушение нормального поведения, привычек, а также нейропсихического отклонения: быстрое утомление или чувство постоянной усталости, сонливость или, наоборот, бессонница, апатия, ослабление внимания, рассеянность, забывчивость, сильные колебания настроения.

При хроническом отравлении одни и те же вещества у разных людей могут вызывать различные поражения почек, кроветворных органов, нервной системы, печени.

Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении окружающей среды.

Так, в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате Чернобыльской катастрофы, заболеваемость среди населения особенно детей, увеличилась во много раз.

Высокоактивные в биологическом отношении химические соединения могут вызвать эффект отдаленного влияния на здоровье человека: хронические воспалительные заболевания различных органов, изменение нервной системы, действие на внутриутробное развитие плода, приводящее к различным отклонениям у новорожденных.

Медики установили прямую связь между ростом числа людей, болеющих аллергией, бронхиальной астмой, раком, и ухудшением экологической обстановки в данном регионе. Достоверно установлено, что такие отходы производства, как хром, никель, бериллий, асбест, многие ядохимикаты, являются канцерогенами, то есть вызывающие раковые заболевания. Еще в прошлом веке рак у детей был почти неизвестен, а сейчас он встречается все чаще и чаще. В результате загрязнения появляются новые, неизвестные ранее болезни. Причины их бывает очень трудно установить.

Огромный вред здоровью человека наносит курение. Курильщик не только сам вдыхает вредные вещества, но и загрязняет атмосферу, подвергает опасности других людей. Установлено, что люди, находящиеся в одном помещении с курильщиком, вдыхают даже больше вредных веществ, чем он сам.

Биологические загрязнения и болезни человека

Кроме химических загрязнителей, в природной среде встречаются и биологические, вызывающие у человека различные заболевания. Это болезнетворные микроорганизмы, вирусы, гельминты, простейшие. Они могут находиться в атмосфере, воде, почве, в теле других живых организмов, в том числе и в самом человеке.

Наиболее опасны возбудители инфекционных заболеваний. Они имеют различную устойчивость в окружающей среде. Одни способны жить вне организма человека всего несколько часов; находясь в воздухе, в воде, на разных предметах, они быстро погибают. Другие могут жить в окружающей среде от нескольких дней до нескольких лет. Для третьих окружающая среда является естественным местом обитания. Для четвертых - другие организмы, например дикие животные, являются местом сохранения и размножения.

Часто источником инфекции является почва, в которой постоянно обитают возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены, некоторых грибковых заболеваний. В организм человека они могут попасть при повреждении кожных покровов, с немытыми продуктами питания, при нарушении правил гигиены.

Болезнетворные микроорганизмы могут проникнуть в грунтовые воды и стать причиной инфекционных болезней человека. Поэтому воду из артезианских скважин, колодцев, родников необходимо перед питьем кипятить.

Особенно загрязненными бывают открытые источники воды: реки, озера, пруды. Известны многочисленные случаи, когда загрязненные источники воды стали причиной эпидемий холеры, брюшного тифа, дизентерии.

В жарких странах широко распространены такие болезни, как амебиаз, шистоматоз, эхинококкоз и другие, которые вызываются различными паразитами, попадающими в организм человека с водой.

При воздушно-капельной инфекции заражение происходит через дыхательные пути при вдыхании воздуха, содержащего болезнетворные микроорганизмы.

К таким болезням относится грипп, коклюш, свинка, дифтерия, корь и другие. Возбудители этих болезней попадаю в воздух при кашле, чихании и даже при разговоре больных людей.

Особую группу составляют инфекционные болезни, передающиеся при тесном контакте с больным или при пользовании его вещами, например, полотенцем, носовым платком, предметами личной гигиены и другими, бывшими в употреблении больного. К ним относятся венерические болезни (СПИД, сифилис, гонорея), трахома, сибирская язва, парша. Человек, вторгаясь в природу, нередко нарушает естественные условия существования болезнетворных организмов и становится сам жертвой природно-очаговых болезней.

Люди и домашние животные могут заражаться природно-очаговыми болезнями, попадая на территорию природного очага. К таким болезням относят чуму, туляремию, сыпной тиф, клещевой энцефалит, малярию, сонную болезнь.

Особенностью природно-очаговых заболеваний является то, что их возбудители существуют в природе в пределах определенной территории вне связи с людьми или домашними животными. Одни паразитируют в организме диких животных-хозяев. Передача возбудителей от животных к животному и от животного к человеку происходит преимущественно через переносчиков, чаще всего насекомых и клещей.

Возможны и другие пути заражения. Так, в некоторых жарких странах, а также в ряде районов нашей страны встречается инфекционное заболевание лептоспироз, или водяная лихорадка. В нашей стране возбудитель этой болезни обитает в организмах полевок обыкновенных, широко распространенных в лугах около рек. Заболевание лептоспирозом носит сезонный характер, чаще встречаются в период сильных дождей и в жаркие месяцы (июль - август). Человек может заразиться при попадании в его организм воды, загрязненной выделениями грызунов.

Такие болезни, как чума, орнитоз, передаются воздушно-капельным путем. Находясь в районах природно-очаговых заболеваний, необходимо соблюдать специальные меры предосторожности.

3. Панорама современного естествознания, основные критерии научности естественных и гуманитарных дисциплин.

Рассмотрим ключевые, концептуальные положения, сгруппировав их в три больших класса, сообразно масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро- и мега-.

1. Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира.

Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы.

Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т.е. открылась новая отрасль науки - ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т.к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114-116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц.

Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства,  кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению - это слишком много  для того чтобы, образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«,  т.е. не состоящими из более мелких частиц.  Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра - нейтроны, протоны, пи-мезоны.  Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки». Есть подозрения, что и кварки могут оказаться не вполне элементарными. До каких же пор ученые будут разбирать эту «матрешку» природы? На это никто пока не может дать ответа. Проблема установления полного набора истинно элементарных частиц во Вселенной - одна из наиболее принципиальных нерешенных в современной науке (в физике элементарных частиц она называется проблемой «спектра масс»).

2. Макрофизика. Это наиболее обширная, “густо заселенная” учеными и наиболее понятная публике область естествознания. Поскольку она стоит ближе к практике, чем многие другие направления фундаментальной науки, ей больше уделяют внимание общественность, пресса и органы, финансирующие исследования. Однако идеологическая нагрузка этого большого раздела современной науки не так велика, как ее количественные характеристики. Поэтому остановимся лишь на тех проблемах, которые имеют очевидный междисциплинарный или мировоззренческий характер.

2.1. Системы с малой и дробной размерностью. В обычной жизни мы привыкли к трехмерным, евклидовым объектам, имеющим три измерения и простую форму (сфера, куб, призма, параллелепипед, конус и т.д.). Однако в природе существуют и такие объекты, которые характеризуются меньшим числом измерений. Так, например, тонкие пленки или поверхностные слои атомов жидкости, твердого тела или границ между ними являются квазидвумерными системами. После создания так называемых “планарных” технологий изготовления современной полупроводниковой  техники внимание к ним сильно возросло. Выяснилось, что свойства таких объектов могут радикально отличаться от таковых в объемных трехмерных телах, составленных из тех же атомов. Можно себе представить и квазиодномерные объекты в виде тонкой нити, для которых существенной является только одна координата - вдоль длины (таковы, например, органические полимерные молекулы, из которых состоит все живое и мы с вами). Физика низкоразмерных систем выделилась в самостоятельную интересную дисциплину, а ее приложения уже сейчас дали много очень полезных результатов.

В отличие от человека, который создает искусственно в основном предметы с целым числом размерностей, природа более изощрена и часто порождает объекты с дробной или, как еще говорят, фрактальной размерностью, т.е. не целым числом, например, 1, 2 или 3, а имеющими значение между единицей и двойкой, или двойкой и тройкой. Таковы с точки зрения геометрии контуры облаков, деревьев, береговых линий морского побережья, снежинок и много другого. Введение в широкий научный оборот понятия фрактала дает возможность посмотреть на окружающий мир под новым углом зрения, найти в нем некоторые новые “универсалии”, обобщения. Например, рассматривая кучевые или пористые облака на небе, скорее всего, вы не найдете и двух похожих друг на друга по своей геометрии. Но оказывается, что фрактальные размерности облаков определенного типа (или, скажем, деревьев определенного вида в лесу) есть величина неизменная для них и характеризующая их всего одним числом. Это позволяет сильно “свертывать “ информацию об объекте, если его потом нужно просто распознавать и классифицировать, а не изучать в мельчайших подробностях.

Генетика (от греческого - происхождение, рождение).

Генетика - важнейшая и сейчас ведущая часть современных биологических знаний. Она охватывает широкий круг явлений наследственности и изменчивости всех живых организмов, начиная с фагов и вирусов и заканчивая человеком. Генетика ставит своей задачей не только изучение механизмов наследственности и изменчивости, но и сознательное управление ими с целью выведения новых организмов, лечения болезней и направление развития в желательную сторону.

Генетика прошла в своем развитии несколько этапов. Австрийский монах Г. Мендель, скрещивая разные сорта гороха, открыл в середине 19 века феноменологические законы наследственности. А. Вейсман показал в конце 19-го века, что половые клетки обособлены от остального организма и не подвержены влияниям, действующим на соматические клетки. Голландец Гуго де Фриз в начале 20-го века открыл существование наследственных мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутации - это своеобразные опечатки, возникающие под действием естественных флуктуаций и внешних причин (химических, радиационных) в переиздающейся программе жизни следующего поколения. В результате мутаций наследственные признаки не являются постоянными, а могут скачкообразно изменяться, меняя в конечном итоге свойства белков, синтезируемых организмом.

Российские ученые до начала 40-х годов занимали ведущие позиции в генетике (Н.Кольцов, Н.Тимофеев-Ресовский, В.Сахаров, И.Раппопорт, Н.Дубинин, Н.Вавилов и др.). Однако политические репрессии и известная сессия ВАСХНИЛ, проведенная под идеологическим руководством “народного академика” Лысенко в 1948 году, надолго отбросила российскую генетику в положение догоняющей.

По своей значимости открытие законов наследственности и ее молекулярных механизмов стоит в одном ряду с самыми выдающимися достижениями естествознания. Началась новая эра в биологии, связанная с бурным развитием молекулярной биологии, т.е. рассмотрением основ жизни на молекулярном уровне.

Каковы же ее успехи, перспективы, проблемы? После того как было твердо установлено, что основной функцией ДНК является кодирование будущего синтеза белков, и эта информация заключена в определенной последовательности всего четырех букв, роль которых выполняют азотные основания (гуанин, аденин, тимин и цитазин) - открылись принципиальные возможности сознательного управления наследственностью. Однако до практической реализации этой идеи в полном объеме - путь не близкий. Конечно, уже сейчас методами генной инженерии созданы десятки новых штаммов полезных микроорганизмов, сортов высокоурожайных растений и т. д. Однако для работы не вслепую, а по “чертежам”, необходимо выяснить не только генотип каждого организма, с которым начинается работа, т. е. последовательность всех “букв” длинного текста - генов, но и их конкретные функции. Учитывая, что молекула ДНК - это практически самая большая молекула в организме (да и в природе вообще), даже при наличии очень производительной техники анализа требуются многие годы, чтобы проделать секвенирование (от латинского - «последовательность», т. е. установление последовательности генов в конкретной молекуле ДНК) даже для простейших организмов.

Нет сомнения, что все сложные научные проблемы будут решены в ближайшие годы, но уже сейчас возникли небывалые юридические и морально-этические вопросы. Вправе ли мы так сильно вмешиваться в природу живого, тем более человека? Можем ли мы представить и потом управлять всеми последствиями, выпуская этого джина из бутылки? Где проходит граница между правами индивидуума на тайну личной жизни и интересами общества? Список подобных вопросов очень велик. Они составляют предмет возникших совсем недавно дисциплин - биоэтика и биоправо, которые пытаются пытаются выработать моральные и юридические нормы поведения человека, разрешения конфликтов, ограничений в новых условиях. Важно, чтобы их разработка и принятие обществом не отставали от научно-технических возможностей.

Самоорганизация. Возможно, одна из самых захватывающих и масштабных доктрин, оформившихся в науке конца 20-го века - это концепция самоорганизации, под которой понимают самопроизвольное установление порядка (без участия внешних организующих воздействий) в неравновесных диссипативных системах. Первые систематические исследования в этой области провел выходец из России И.Пригожин в 60-е годы (Нобелевская премия в 1977 г.). Впоследствии направление в науке, которое изучает пространственно-временное упорядочение, стали называть по предложению Г.Хакена синергетикой (от греческого слова совместный, согласно действующий). На первый взгляд, сама возможность самоорганизации (а, следовательно, повышения порядка в системе с соответствующим понижением энтропии) как будто бы противоречит второму началу термодинамики. Однако классическая термодинамика была создана (и до сих пор справедлива) для описания равновесных или близких к равновесию систем. Кроме того, второе начало справедливо только для замкнутых систем (т. е. не обменивающихся ничем с окружающей средой). Множество объектов и систем в природе не являются ни равновесными, ни замкнутыми (а строго говоря - все до одной!), так что классическую термодинамику следует рассматривать как первое приближение, имеющее ограниченную область применимости.

Действительно, эволюционные процессы в биологии (как на уровне отдельного организма от момента его зарождения - филогенез, так и на уровне биосферы в целом - онтогенез) идут в направлении от простого - к сложному, от беспорядка - к большему порядку, т. е. в видимом противоречии с законом роста энтропии. Но с другой стороны, ни один живой организм и не является замкнутой системой по определению. Напротив, пока он жив, он участвует в обмене веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Таким образом, для описания живого нужна неравновесная термодинамика открытых систем, исключающая необходимость мифических витальных сил.

Она была создана в последней трети 20-го века усилиями многих ученых. Если провести границы достаточно далеко от нашей открытой системы, то внутри этой большой области беспорядок все равно будет нарастать, и второе начало термодинамики остается в полном здравии. При значительном падении энтропии в системе в ней могут спонтанно (самопроизвольно) образовываться упорядоченные структуры, что и называется самоорганизацией.

Теория самоорганизации, родившаяся первоначально из рассмотрения проблем неравновесной термодинамики и конкретных задач гидродинамики, нелинейной оптики, кибернетики и т. д. впоследствии оказала громадное влияние на развитие современной физики, химии, биологии, наук о Земле, экономики, социальных и политических наук. Так, например, внедрение идей самоорганизации в теорию биологической эволюции снимает многие трудности, существовавшие в дарвинизме: отсутствие промежуточных форм между видами, крайне низкую скорость эволюции путем случайных мутаций и последующего естественного отбора и т. д.

С точки зрения математической, вовлечение в научный оборот концепции самоорганизации означает переход от линейных моделей (и уравнений) к нелинейным. Современная, очень развитая математика, умеет решать, главным образом, только линейные задачи. Они являются основой детерминистического подхода в науке, заложенного Галилеем и Ньютоном. Однако в свете достижений науки 20-го века следует признать, что мышление в линейном приближении не является адекватным по отношению к природным процессам. Множество явлений не могут быть описаны в рамках линейных моделей (бифуркации, катастрофы, динамический хаос и т. д.) Нелинейные же системы могут обладать крайне высокой чувствительностью к всегда имеющимся флуктуациям в природе (или ничтожным вариациям данных в математической модели). В результате становится невозможным предсказать состояние таких систем через некоторое время даже при наличие всех исходных данных. Таким образом, концепция детерминизма в природе за сто лет после создания статистической физики подверглась большим деформациям и ревизиям в третий раз (с учетом появившихся в начале 20-го века квантовомеханических представлений о причинности). Синергетику в ее нынешнем состоянии можно рассматривать, по мнению одного из ее создателей Хакена, как попытку обобщения дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Творчество в любой сфере, будь то наука, искусство, производство, можно рассматривать как «антиэнтропийную акцию», понижающую хаос в духовном или материальном окружении человека. Имея это ввиду, один из создателей кибернетики Н.Винер как-то сказал: «В этом мире наша новейшая обязанность состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы».

Проникновение идей самоорганизации во все сферы культуры фактически привело к смене стиля мышления. Механистический, лапласовский стиль 18-19 века сменился в начале 20-го века на статистически-вероятностный, а в конце его - на синергетический.

3. Мегамир. Центральной дисциплиной, изучающей мегамир как единое целое, является космология (от греческого kosmos - Вселенная и logos - знание). Современная космология - это астрофизическая теория происхождения и эволюции Вселенной, основанная на экспериментальных фактах, наблюдениях и фундаментальных физических теориях (общей теории относительности, физики элементарных частиц, фундаментальных взаимодействий и др.).

Далекие миры волновали человека с незапамятных времен. Это нашло отражение в древних мифах, представлениях об устройстве Вселенной. Ни одна религия не обходит своим вниманием эти вопросы. После того как на смену мифологии и религиозным верованиям пришла наука, космология стала одной из любимых естественнонаучных дисциплин для философии и философов различных направлений. В модулях 4, 5 и 6 мы проследили кратко эволюцию представлений о Вселенной от Античности до начала 20-го века. К чему же пришла современная космология, развивая идеи Эйнштейна, Фридмана, Гамова и др.? Что продолжает оставаться непознанным или трудно объяснимым?

Зарождение Вселенной в результате Большого Взрыва и последующее ее расширение большинством ученых считается надежно установленным фактом. Понятны многие детали процессов, сопровождавших эволюцию Вселенной, начиная примерно с возраста 10^-4 с от момента ее расширения. Но состояние вещества, пространства и времени до этого момента пока является тайной. Дело в том, что, прокручивая мысленно кинофильм о развитии Вселенной назад, мы должны будем прийти к неограниченному росту всех ее физических характеристик (плотности вещества, температуры, напряженности всех физических полей и т.д.) по мере приближения к нулю времени, т.е. строгому моменту ее рождения. Такое состояние называется сингулярностью (особенностью) и не может устроить физиков, поскольку приводит к бесконечным значениям важнейших физических параметров Вселенной. Современная наука знает множество способов борьбы с этими «дурными бесконечностями», которые уже не раз возникали в физике. Одним из таких способов является допущение дискретности пространства при расстояниях ~10^-33см и времени при Дt~10^-43с. Однако проверить столь смелые гипотезы, приводящие к очередному пересмотру свойств пространства - времени (будь они доказаны) пока совершенно нечем. Для этого необходима совершенно новая физика, которая может пролить свет и на природу свойств элементарных частиц, поскольку (как это ни парадоксально) многие проблемы микро- и мегамира сводятся к одним и тем же вопросам.

Другая нерешенная проблема - дальнейшая судьба Вселенной. Будет ли она продолжать расширяться безгранично (открытые сценарии) или этот процесс через некоторое время сменится обратным и пойдет стадия сжатия (закрытый сценарий)? Легко представить тогда недоумение астрофизиков будущего, которые будут наблюдать не «красное» смещение в спектрах звезд, а «фиолетовое» и размышлять: из каких глубин космоса летит к центру вещества Вселенной и что будет, когда оно все окажется в этом центре? Выбор между закрытыми и открытыми сценариями можно сделать только при наличии данных о полной массе вещества во Вселенной (или средней его плотности, что практически одно и то же), которых пока недостаточно.

Существуют весьма обоснованные подозрения, что кроме видимых нами объектов во Вселенной существуют еще большее количество скрытых, но тоже обладающих массой, причем эта «темная масса» может в 10 или более раз превышать видимую. Теория предсказывает, что если средняя плотность вещества во Вселенной (разумеется, с учетом и темной массы) превышает некоторую критическую величину, тогда за стадией расширения неизбежно последует стадия сжатия под действием сил гравитации. В противном случае, гравитационных сил не будет хватать, чтобы остановить разлет, и он будет продолжаться бесконечно долго.

Аналогичные проблемы возникают также при анализе таких гипотетических, но достаточно широко известных публике объектов как черные дыры. С точки зрения теории ими могут быть тяжелые объекты, например отгоревшие звезды с массой в много раз превышающих солнечную. Сила тяжести около таких объектов так велика, что они стягивают все вещество в «точку». В нее как в бездонную бочку проваливается и излучение и частицы, окружающие эту звезду, и ничего уже вырваться не может (отсюда и название - черная дыра). Как же ее можно тогда обнаружить? Только по последнему «вскрику» - характерному рентгеновскому излучению, засасываемого и падающего в нее вещества. Сейчас среди известных астрофизических объектов имеется около десяти претендентов на роль черной дыры. Но это требует еще более строгих доказательств. Если они в действительности существуют (а в этом мало кто сомневается), то возможно черные дыры являются зародышем новых Вселенных или окнами в совершенно другие миры.

Существуют и более сложные проблемы в космологии, которые лежат пока вне досягаемости науки (а может быть и вовсе за пределами ее возможностей):

Чем отличалась точка, из которой зародилась Вселенная, от всех прочих?

Почему именно в «этот» момент произошел Большой Взрыв, не раньше и не позже?

Что было за секунду (час, год) до Большого Взрыва?

Что находится за пределами видимой Вселенной?

Почему Вселенная такова, какова она есть, хотя теоретически существует не одна равноценная возможность?

Почему мировые константы (гравитационная постоянная, постоянная Планка и т.д.) таковы, что именно при таком сочетании значений и возможна в принципе жизнь, и при малейших их изменениях она становится абсолютно невозможной?

Гуманитарная культура основывается главным образом на творческом, идеологическом восприятии процессов и явлений окружающего мира. Гуманитарий не использует опытного эксперимента в своем пути исследования. Скорее идет восприятие духовный, историко-культурных начал и через "дух" эпохи идет объяснение закономерностей мира. Однако не каждая гуманитарная культура может претендовать на роль научной картины мира. Даже в современном научном сообществе идет постоянный поиск критериев научности того или иного изобретения или открытия. Возникает вопрос - чем же можно отличить науку от не научного знания. Условно говоря отметим критерии научности:

- наличие объекта и предмета исследования;

-наличие границ и рамок, в каком поле идет исследование;

-наличие методики и методологии в исследовании;

-наличие специального научного аппарата исследования;

-специальные кафедры и научные институты, где работают специалисты, занимающиеся данным вопросом.

Столь условное обозначение критериев научности гуманитарной культуры можно конечно видоизменить, но с полным основанием можно отмести от науки, всякое направление, типа "магии, астрологии, гадания, хиромантии и.п." Гуманитарная культура долгие годы существовала в едином контексте с естественнонаучным направление, примерно до ХVIII века. Однако уже в ХIХ веке возник феномен как диалог двух культур.

Бывали такие случаи, когда возникал спор, что приоритетнее - естественнонаучное или гуманитарное направление, своего рода спор "лириков" и "физиков". В современном мире роль гуманитарной культуры огромна, главным образом, в распространении общекультурных, гуманных ценностей и творческих идей в преобразовании мирового сообщества.

4. Теория электромагнитного поля. Вещество и поле.

На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины "электрическое поле", "магнитное поле", "электромагнитное поле". Коротко поясним, что это означает и какая связь существует между ними.

Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита присутствует как раз электрическое поле.