Научная революция

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. вопрос. Понятие научной революции

Научная революция -- радикальное изменение процесса и содержания научного познания, связанное с переходом к новым теоретическим и методологическим предпосылкам, к новой системе фундаментальных понятий и методов, к новой научной картине мира, а также с качественными преобразованиями материальных средств наблюдения и экспериментирования, с новыми способами оценки и интерпретации эмпирических данных с новыми идеалами объяснения, обоснованности и организации знания1. Историческими примерами научной революции могут служить переход от средневековых представлений о Космосе к механистической картине мира на основе математической физики 16--18 вв., переход к эволюционной теории происхождения и развития биологических видов, возникновение электродинамической картины мира (19 в.), создание квантово-релятивистской физики в начале 20 в. и др.

Сама наука представляет собой исторически сложившуюся систему познания объективных законов мира. Результатом научной деятельности выступает система развивающегося доказательного и обоснованного знания. Научное знание дает возможность предвидения и преобразования действительности в интересах общества и человека. Научные знания выражаются в различных формах - в понятиях, категориях, законах, гипотезах, теориях, научной картине мира и др. Важнейшая особенность науки - в том, что она нацелена на отражение объективных сторон мира, т.е. на получение таких знаний, содержание которых не зависит ни от человека, ни от человечества. Наука стремится отразить мир таким, каким он существует как бы «сам по себе».

В истории естествознания четко выделяются эволюционные и революционные периоды развития. Революции в естествознании связаны с изменениями способов познания, т.е. целостной системы средств научно-исследовательской деятельности, призванной воспроизводить содержание, сущность, качественное своеобразие целостного среза объективной реальности; основание этой системы выступают принципы фундаментальной теории в единстве с методологическими установками познания в данной науке (или группе наук). Научная революция - это закономерный и периодически повторяющийся в истории науки процесс качественного перехода от одного способа познания к другому, который отражает более глубинные связи и отношения природы. В ходе научной революции происходит выделение качественно нового типа объектов, резкое изменение системы методологических установок познания, идеалов познания, критериев оценки результатов познания, критика старых и утверждение новых ценностей познания. Этап научной революции сменяется периодом эволюционного развития науки. На эволюционном этапе своего развития наука опирается на сложившийся в ходе научной революции новый способ познания (парадигму, фундаментальную теорию), основания которого принимаются учеными уже без существенной критики, как новый, мощный и действенный инструмент познания.

Накопление рациональных знаний о природе началось еще в первобытную эпоху. В древнегреческой культуре формируется идея о необходимости получения доказательного, обоснованного и систематического знания о мире, послужившая исходной основой для превращения донаучного познания природы в научное. В античной культуре происходит формирование первой научной картины мира, концентрированно воплощенной в механике, физике и космологии Аристотеля и геоцентрической системе Птолемея. В эпоху Возрождения происходит коренное преобразование способа познания природы. Естественнонаучные знания отпочковываются от философии и зарождается аналитическое исследование природы, классическое естествознание. Труд Коперника положил начало научной революции ХVI-ХVII веков, основным содержанием которой явилось создание классической механики как первой фундаментальной естественнонаучной теории.

В ХVIII в. естествознание вступает в эпоху эволюционного развития. В первой половине ХVIII в. происходило утверждение классической механики в качестве господствующей теории в системе естествознания. На базе методологических установок классической физики и классической астрономии складывалась вторая научная картина мира.

Рубеж ХIХ-ХХ вв. ознаменовался новой революцией в естествознании, результатом которой явилось создание неклассического естествознания, новой (третьей по счету) научной картины мира и новых систем методологических установок познания.

На рубеже ХХI в. естествознание, по-видимому, вступает в новую историческую фазу своего развития - на уровень постнеклассической науки.

Для постнеклассической науки характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно-ориентировочных форм исследовательской деятельности. Становление постнеклассической науки приводит к изменению методологических установок естественнонаучного познания.

Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила серия ткрытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.).

В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира -убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.

Фундаментальные основы новой картины мира:

общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.) квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи).

Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью. Позднее в рамках новой картины мира произошли революции в частных науках в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах. Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами в развитии естествознания. Это не означает, что лежащие между ними периоды эволюционного развития науки были периодами застоя

Концепция эволюции в биологии.

Чарльз Дарвин - основоположник теории эволюции.

Учение Дарвина-"Происхождения видов путем естественного отбора". Причины эволюции - борьба за существование и естественный отбор. Инструмент эволюции - изменчивость. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость. Три вида борьбы за существование:

1. Внутривидовая

2. Межвидовая

З. Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы.

Цель эволюции по Дарвину - видообразование. Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Дженкин: "Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при следующем скрещивании наступает "поглощение" новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию вероятнее всего не имеет этого нового свойства - произойдет растворение признаков в потомстве".

Систематическая теория эволюции.

Систематическая теория эволюции основывается на принципах синергетики, в частности на принципе самоорганизации и саморазвитии сложных систем. Такой моделью является концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю. В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность -- направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной -- от момента сингулярности до возникновения человека -- предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития.

2. вопрос. Масса. Представления о ней в классической физике и теории относительности

В общей теории относительности, созданной в 1916 г., А. Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс. Теория относительности преодолела ограниченность механистической трактовки таких базовых понятий как пространство, время, движение, энергия, масса, но нельзя утверждать, что она отрицает (опровергает) классическую физику. Теория относительности показывает, что нельзя абсолютизировать понятия, принципы и законы классической механики, они верны лишь для определенных условий и включаются в специальную теорию относительности как ее частный случай. В этом смысле говорят, что релятивистская физика находится в отношении соответствия с классической физикой.

С концаXIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей (А. Беккерель, супруги Кюри,). На этой основе появились различные модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира (Э. Резерфорд, Н. Бор). Дж. Томсон в 1897 г. открывает электрон и измеряет величину его электрического заряда и массу. А в 1900 г. М. Планкв процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказатьпредположение о прерывности процессов излучения. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, т.е. квантами, позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне.

В1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. И хотя такое предположение казалось странным и непонятным, именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении.

В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность), и дискретность (квантованность). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925 -1927 гг., создателей нового направления физики -квантовой механики. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. К началу 30-х г.г. ХХ столетия было установлено, что вещество слагается из элементарных частиц, фундаментальными являются протоны, нейтроны и электроны. В 1932 году в составе космических лучей был открыт позитрон с такой же массой, как у электрона, но с противоположным (положительным) зарядом. К концу 90-х годов число открытых частиц и античастиц приближается к 400. Многие из них не имеют прямого отношения к строению материи, их относят к т.н. «лишним» частицам. Ученые полагают, что они возникли на первых этапах становления и образования Вселенной, когда еще не происходило образование ядер атомов, и существуют до сих пор. Все элементарные частицы обладают микроскопическими массами и размерами, сравнимыми с длинами волн де Бройля, поэтому их поведение описывается квантово-волновыми характеристиками. Элементарная частица это квант поля, т.е. плоская либо сферическая единичная волна.

Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Классическая физика, вырабатывая целостный взгляд на материальность мира, утверждала, что материя представлена в двух состояниях: вещество и поле. В настоящее время все еще приходится сталкиваться с принципиальной неточностью терминологического плана: понятие “вещество” отождествляют с понятием “материя”. Такая неточность ведет к серьезным ошибочным заключениям. Материя - понятие самое общее, в то время как вещество- это лишь одна из форм ее существования. Современные научные знания позволяют сделать заключение, что в известном нам мире материя реализуется в тесно взаимосвязанных формах: вещество, поле и физический вакуум. Вещество состоит из дискретных частиц, проявляющих волновые свойства (вещественно-полевой континуум). Природа физического вакуума, его строение пока познаны намного хуже вещества. По современному определению, вакуум - это нулевые флуктуирующие (колеблющиеся, отклоняющиеся от нормали) поля, с которыми связаны виртуальные частицы. Здесь проявляется дуализм волновых и корпускулярных свойств. Вакуум обнаруживается во взаимодействиях с веществом на его глубинных уровнях. Вакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и его влияния.
Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Важным является тезис о равенстве весовой (тяжелой) и инертной масс. Отсюда следует вывод об эквивалентности массы и энергии: энергия обладает массой, а масса превращается в энергию - (Е=mc2)

3. Вопрос. Проявление закона сохранения импульса на различных структурных уровнях организации материи

Законы сохранения - физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величии не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Полное описание физической системы возможно лишь в рамках динамических законов, которые детально определяют изменение состояния системы с течением времени. Однако во многих случаях динамический закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации законы сохранения позволяют сделать некоторые заключения о характере поведения системы. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, импульса, углового момента, электрического заряда. Кроме всеобщих существуют законы сохранения, справедливые лишь для ограниченных классов систем и явлений.

Большую роль законы сохранения играют в квантовой теории, в частности в теории элементарных частиц. Законы сохранения определяют правила отбора, согласно которым реакции с частицами, которые привели бы к нарушению законы сохранения, не могут осуществляться в природе. В дополнение к перечисленным законам сохранения, имеющимся и в физике макроскопических тел, в теории элементарных частиц возникло много специфических законов сохранения, позволяющих интерпретировать наблюдаемые на опыте правила отбора. Таков, например, закон сохранения барионного числа, выполняющийся с очень высокой точностью во всех видах фундаментальных взаимодействий. Существуют и приближённые законы сохранения, выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие законы сохранения имеют смысл, если можно указать класс процессов, в которых они выполняются. Например, законы сохранения странности, изотопического спина, пространственной чётности строго выполняются в процессах, протекающих за счёт сильного взаимодействия, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие нарушает закон сохранения изотопического спина. Таким образом, исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимости проверять существующие законы сохранения в каждой области явлений. Так, считавшийся абсолютно строгим закон сохранения барионного числа на основании теоретических аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона.

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Таким образом, если известны свойства симметрии системы, можно найти для неё законы сохранения, и наоборот.

Как отмечалось, законы сохранения энергии, импульса, углового момента обладают всеобщностью. Это обусловлено тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства - времени мира, в котором движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т. е. с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчёта времени; сохранение импульса и момента импульса связаны соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтому, проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства-времени. Долгое время считалось, что кроме перечисленных элементов симметрии пространство-время обладает зеркальной симметрией, т. е. инвариантно относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространственная чётность. Однако в 1957 было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира.

В связи с развитием теории гравитации намечается дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундаментальные законы сохранения.

4. Вопрос. Гравитационное взаимодействие и его роль на различных уровнях организации материи

Взаимодействие в физике - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения, В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредствен очерез пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия; при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла так называемая концепция дальнодействия.

Однако, данные представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействия электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а спустя конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создаёт электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме с = З 1010 см/с. Возникла новая концепция - близкодействия, которая позже была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействия между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределённых в пространстве. Так, всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем.

После появления квантовой теории поля (КТП) представление о взаимодействиях существенно изменилось. Согласно КТП любое поле представляет собой совокупность частиц - квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны, т. е. фотоны являются переносчиками этого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена между частицами квантами соответствующих полей.

Несмотря на разнообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействий слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь 4 типа фундаментальных взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности взаимодействий):гравитационное взаимодействие, слабое взаимодействие (отвечающее за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц),электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие (обеспечивающее, в частности, связь частиц в атомных ядрах и поэтому часто называемое ядерным). Интенсивность взаимодействия определяется соответствующей константой взаимодействия, или константой связи.

В частности, для электромагнитного взаимодействия константой связи является электрический заряд. Квантовая теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика - превосходно описывает все известные электромагнитные явления. Слабое взаимодействие осуществляется посредством промежуточных векторных бозонов. Найдена глубокая связь слабого взаимодействия с электромагнитным, что привело к их объединению в электрослабое взаимодействие. Основу сильного взаимодействия, по современным представлениям, составляет взаимодействие между составными частями адронов - кварками. Это взаимодействие, переносчиками которого служат глюоны, определяется особой константой взаимодействия - цветом и описывается квантовой хромодинамикой. Взаимодействия адронов друг с другом представляет собой лишь остаточный эффект межкварковых сил, подобно тому как молекулярные силы - остаточный эффект кулоновского взаимодействия электронов и ядер молекул.



Таблица Четыре основных типа взаимодействия, лежащие в основе всех известных сил и взаимодействий в природе

Взаимодействие	Источник	Относительная интенсивность	Радиус действия
Гравитационное	Масса	?10-38	Дальнодействующее
Слабое	Все элементарные частицы	?10-15	Короткодействующее (?10-13 м)
Электромагнитное	Электрические заряды	?10-2	Дальнодействующее
Ядерное (сильное)	Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)	1	Короткодействующее (?10-15 м)

Делаются попытки объединения слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия (модели так называемого великого объединения), а также всех видов взаимодействий, включая гравитационное.

5. Вопрос. Сильное взаимодействие и его роль в микромире

После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир. Положение коренным образом изменилось, когда ученые перешли к исследованию процессов в микромире. Здесь их ожидали новые необычайные открытия и явления.

Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытием взаимосвязи вещества и энергии.

Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Значительно изменились также взгляды на энергию. Если раньше предполагалось, что энергия излучается непрерывно, то тщательно поставленные эксперименты убедили физиков, что она может испускаться отдельными квантами. Об этом свидетельствует, например, явление фотоэффекта, когда кванты света способствуют рождению электронов

В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например, электроны обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля - свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы - представление, которое никак не укладывалось в рамки классической физики.

В 1925 - 1927 г. для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи - микромире, была создана новая волновая, или квантовая механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения микромира.

Другая фундаментальная теория современной физики - теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. Важный методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Согласно предсказаниям теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Более подробно эти вопросы мы рассмотрим в следующих лекциях. Здесь же достаточно отметить, что общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства - времени.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественнонаучной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий нас мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность, не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Синергетический подход ориентируется на исследование процессов изменения и развития систем. Он изучает процессы возникновения и формирования новых систем в процессе самоорганизации. Исследование конкретных механизмов самоорганизации и основанной на ней эволюции составляет задачу конкретных наук. Синергетика же выявляет и формулирует общие принципы самоорганизации любых систем и в этом отношении она аналогична системному методу, который рассматривает общие принципы функционирования, развития и строения любых систем. В целом же системный подход имеет более общий и широкий характер, поскольку наряду с динамическими, развивающимися системами рассматривает также системы статические.

Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез происхождения жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники.

эволюция гравитационный микромир организм

6. Вопрос. Демон Максвелла

С возникновением термодинамики в физике сложилась весьма щекотливая ситуация. Дело в том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми. Это своим следствием содержит тот факт, что в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное состояние. Иными словами, жесткая детерминированность законов классической физики, отсутствие в ней элементов вероятности, случайности определяют возможность воздействия на систему, управления системой. Наиболее ярким примером подобного детерминированного описания может служить «демон Лапласа».

Второе начало термодинамики указывает на то обстоятельство, что вследствие необратимого характера протекания процессов в термодинамических системах, они не могут быть управляемыми до конца. И. Пригожин и И. Стенгерс очень образно выразили этот факт словами: «Необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, -- состоянию, из которого система не выйдет по «доброй воле».

Однако II начало термодинамики справедливо для системы с большой совокупностью частиц. На это обстоятельство особенно обращал внимание Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. И если бы существовало такое существо («демон Максвелла»), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные молекулы, то оно могло бы нарушить закон возрастания энтропии.

Так, если бы это существо отбирало бы самые быстрые молекулы и перекладывало бы их во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался бы, а во втором нагревался. Так что с помощью демона Максвелла можно было бы нагревать газ во втором сосуде без расхода энергии, просто за счет умелого разделения молекул газа на две части.

С точки зрения классической механики, если рассматривать молекулы в качестве материальных точек, здесь не возникает никакого парадокса. Сам Максвелл считал, что если в макроскопической теории следует оперировать усредненными величинами и статистическими закономерностями, что отличает это описание от описания, принятого в классической механике, то для микропроцессов такого различения не требуется: здесь механические явления тождественны по своей сути.

Разрешение парадокса с демоном Максвелла было дано Сциллардом в 1928 году. Демон, для того, чтобы осуществлять наблюдение за молекулами, должен иметь размеры, ненамного превышающие размеры самих молекул. Но при этом те молекулы (небольшое количество их, составляющих самого демона) все время сами будут пребывать в хаотическом движении.

Чтобы исключить хаотическое движение самого демона, надо все время поддерживать его при очень низкой температуре. Вот и получается, что для подавления собственного хаотического движения демона, его собственных флуктуации требуется не меньше энергии, чем демон мог бы раздобывать, неутомимо работая по разделению быстрых (горячих) молекул и медленных (холодных).

7. Вопрос. Понятие гравитационной неустойчивости

Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения шестнадцати звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет.

Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца - явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут образовываться в таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия на таких планетах могут оказаться нестабильными, что не способствует появлению жизни.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливающихся в газо-пылевых облаках. Например, по модели Канта - Лапласа (данная модель будет подробно рассмотрена на семинаре).

Сегодня есть уникальные сведения, полученные «Вояджерами» о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.

1. Одинаковая закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих веществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы.

2. Во всех случаях на долю первичного тела приходится более 98% общей массы системы.

3. Имеются наглядные признаки, указывающие на повсеместное образование планетных тел путем слипания частиц (аккреция) во все более крупные тела, вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).

Конечно, это только гипотеза, и она требует дальнейшей разработки. Так же пока не имеет убедительных доказательств предположение, что образование планетных систем является закономерным процессом для Вселенной. Но косвенные данные позволяют утверждать, что по крайней мере в определенной части нашей галактики планетные системы существуют в заметном количестве. Так, И.С. Шкловский обратил внимание на то, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения Солнца - 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% первоначального момента количества движения в протопланетное облако. Если это предположение верно, то наука получит точный адрес для поиска планетных систем.

8. Вопрос. Ковалентная связь. Примеры соединений с ковалентной связью

Химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. В настоящее времяхимия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т. д.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи необходимо было научиться производить из одних веществ другие, т. е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество - есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами (на что направлена производственная деятельность людей) и выявлением способов управления свойствами вещества (на чем сосредоточена научно-исследовательская деятельность). В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшемся в Карлсруэ (Германия) в 1860 г. Система химических представлений легла в основу так называемой атомно-молекулярной теории, основные положения которой заключались в следующем.

* Все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении.

* Все молекулы состоят из атомов. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.

* Атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Таким образом, к концу 1860-х гг. утвердившимся и неоспоримым стало представление о существовании атомов и молекул. Была разработана стройная атомно-молекулярная теория, на которой базировалось естествознание того времени. Атом считался неделимым. Однако эта теория оказалась не в состоянии объяснить ряд экспериментальных фактов, полученных к концу XIX - началу XX в.

Если первые три утверждения съезда химиков в Карлсруэ сегодня кажутся очевидными, то последнее оказалось исторически ограниченным. С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название химическая связь, указывающая на то, что между атомами действуют электростатические силы, т. е. силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно, так называемые валентные электроны. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т. е. теструктурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени. Она выявляет механизм реакции - определение элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения) и количественные ее описания - установление строгих отношений, которые позволяют рассчитывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции. Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции.

Тепловой эффект реакции зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий, в которых находятся реагенты и продукты, а также от количества взаимодействующих веществ. Поэтому для сравнения эффектов различных реакций необходимо точно указывать условия, при которых они протекают, а также физическое состояние каждого компонента.

Химия решает также проблемы химических элементов, физической природы химических явлений и другие вопросы, связанные с химическими элементами. Таковы общие представления о предмете химической науки.

9. Вопрос. Белки, липиды и углеводы. Их структура и роль в живых организмах

Как известно, важнейшие группы органических веществ, которые определяют основные свойства клетки, организма - это белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, отдельные нуклеотиды (в частности АТФ). Каждая из этих групп выполняет свою функцию (функции) в процессе жизнедеятельности организма.

УГЛЕВОДЫ (моносахариды, полисахариды) - органические вещества, в состав молекул которых входят водород и кислород. При этом соотношение этих элементов аналогично соотношению их в молекуле воды, т.е. на 2 атома водорода приходится один атом кислорода.

К моносахаридам относятся рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.

К полисахаридам первого порядка относятся сахароза, лактоза и мальтоза.

Полисахариды второго порядка: крахмал, гликоген, клетчатка.

Углеводы выполняют в организме следующие функции:

? энергетическую,

? структурную (т.к. входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований),

? запаса питательных веществ,

? защитную (вязкие секреты, предохраняющие стенки полых органов от механических, химических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов богаты углеводами).

ЛИПИДЫ. Под этим термином объединяются жиры и жироподобные вещества. Это органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Основные функции липидов:

? структурная (липиды принимают участие в постороении мембран клеток всех органов и тканей),

? энергетическая функция (обеспечение 25-50% энергии организма),

? запаса питательных веществ («энергетические консервы»),

? терморегуляции.

БЕЛКИ. Белки - это нерегулярные полимеры[1], мономерами которых являются аминокислоты. В состав большинства белков входят 20 аминокислот. В каждой из них содержатся одинаковые группировки атомов: аминогруппа - NH2 и карбоксильная группа - СООН. Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксильной группы, называются радикалами (R). В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд постоянно пополняется за счет расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков.

Соединение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой аминокислоты, при их соединении выделяется молекула воды. Между соединившимися аминокислотами возникает связь, называемая пептидной.



Образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют пептидом, а соединение из большого числа аминокислот - полипептидом. Таким образом, белок может представлять собой один или несколько полипептидов.

Уровни организации белковой молекулы. Первичной, самой простой структурой является полипептидная цепь, т.е. нить аминокислот, связанных между собой пептидными связями. В первичной структуре все связи между аминокислотами являются ковалентными, а, следовательно, прочными.

Вторичная структура соответсвует закрутке белковой нити в виде спирали. Между группами -С=О, находящимися на одном витке спирали, и группами -N-H на другом витке образуются водородные связи, которые слабее ковалентных, но обеспечивают достаточную прочность вторичной структуры.

Третичная структура. Полипептид далее свертывается, образуя клубок, для каждого белка свой специфичный, образуя третичную структуру.

Четвертичная структура. Благодаря соединению нескольких молекул белков между собой образуется четвертичная структура. Если пептидные нити уложены в виде клубка, такие белки называются глобулярными, если в виде пучков нитей - фибриллярными.

Функции белков. Ранообразие функций, которые выполняют белки в живом организме столь велико, что ее целесообразно представить в виде следующей схемы (рис 1).



Рис.1. Функции белков

Следует заметить, что кроме представленных на схеме, белки выполняют и энергетическую функцию. Однако белки используются как источники энергии только когда истощаются основные источники: углеводы и жиры.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Описаны впервые в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф.Мишером.

В природе существуют два типа нуклеиновых кислот, различающихся по составу, строению и функциям. Одня содержит улеводные компонент рибозу (РНК), другая - дезоксирибозу (ДНК).

Нуклеиновые кислоты - важнейшие биополимеры, определяющие основные свойства живого. Так ДНК - полимерная молекула, состоящая из сотен тысяч мономеров - дезоксирибонуклеотидов.

ДНК. Нуклеотидный состав ДНК: в составе ДНК имеются 4 основания:

аденин (А)

тимин (Т)

гуанин (Г)

цитозин (Ц).

Количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина - количеству цитозина (правило Чаргаффа). Это свидетельствовало о некоторых строгих закономерностях в строении ДНК. В начале 50-х годов прошлого века была выяснена структура ДНК - двойной спирали, причем на периферии молекулы находится сахарофосфатный остов, а в середине - пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин) основания. Каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющей ей включиться в двойную спираль в двух ориентациях: (А=Т и Т=А) и (Ц=Г и Г=Ц). В каждой из цепей ДНК основания могут чередоваться всеми существующими способами.

Если известна последовательность оснований в одной цепи (например, Т-Ц-Г-Ц-А-Т, то, благодаря специфичности спаривания (комплементарности) становится известной и последовательность ее цепи-«партнера»: А-Г-Ц-Г-Т-А.

РНК. Молекула РНК также полимер, мономером которого является рибонуклеотид. РНК - однонитевая молекула и построена таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки нуклеотидам ДНК но не полностью тождественны: вместо тимина (Т) у РНК присутствует близкий к нему по строению пиримидин - урацил.

По выполняемым функциям РНК подразделяются на следующие виды:

? Транспортная РНК (т-РНК) - самая короткая, 80-100 нуклеотидов, из общего содержания РНК клетки на т-РНК приходится около 10%. Функция ее стостоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка.

? Рибосомная РНК (р-РНК) - самая крупная, 3-5 тыс. нуклеотидов (около 90% содержания РНК клетки).

? Информационная РНК (и-РНК), на них приходится около 0,5-1% от общего содержания РНК в клетке. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах.

Рис. 2. «Материнская» ДНК как матрица для синтеза комплементарных цепей

Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.

10. Вопрос. Экологическое равновесие. Гомеостаз экосистемы

Гомеостаз - способность экосистемы сохранять состояние подвижного равновесия, не смотря на внешнее воздействие.

Гомеостаз - способность биологических систем - организма, популяции и экосистем - противостоять изменениям и сохранять равновесие.

Функционирование и динамика экосистемы:

- цикличность - суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий и проявление внутренних (эндогенных) ритмов организмов.

Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата высокой континентальности, где значительная разница между дневными и ночными температурами.

Сезонная цикличность - на определенный период из биоценоза «выпадают» группы животных и даже целые популяции, впадающие в спячку, в период диапауз или оцепенений, при исчезновении однолетних трав, опаде листвы и так далее.

Многолетняя цикличность - благодаря флуктуациям климата. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по годам, с периодическим повторением засух и так далее.

Энергия экосистемы

Энергия может переходить из одной формы (энергии света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно.

Закон максимизации энергии:

в соперничестве с другими экосистемами сохраняется та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом.

Продуктивность экосистемы

Биологическая продуктивность - скорость создания органического вещества в экосистемах.

Биомасса - масса тела живых организмов.

Первичная продукция сообщества - органическая масса, создаваемая растениями за единицу времени. А продукция животных или других консументов - вторичная.

Правило пирамиды продукции: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем.

Если связь «хищник-жертва», то правило пирамиды чисел: общее число особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается.

Сукцессия - последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия человека.

Первоисточником энергии для экосистем является Солнце. Земля получает ~ 1,05. 105 КДж/м2 . год солнечной энергии. Около 40% ее отражается от облаков, атмосферной пыли и от поверхности Земли,~ 15% поглощается атмосферой (в частности, озоновым слоем) и превращается в тепло, либо расходуется на испарение воды. Остальная энергия поглощается земной поверхностью и растениями, при этом большая часть поглощенной энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу, и лишь небольшая часть (~ 1 . 104 КДж/м2 . год) поступает в биотический компонент экосистем через продуцентов. Биомасса органического вещества, синтезированного в экосистеме продуцентами- автотрофами, определяется как первичная продукция. Общая сумма биомассы рассматривается как валовая первичная продукция (ВПП). Значительная часть энергии, аккумулированной в виде валовой первичной продукции экосистемы, расходуется на дыхание и фотодыхание растений. Та часть биомассы, которая определяет прирост в экосистеме, рассматривается как чистая первичная продукция (ЧПП). Разница между валовой и чистой первичной продукцией определяется затратами энергии на жизнедеятельность организмов. Накопленная в виде биомассы организмов-автотрофов чистая первичная продукция служит источником питания (вещества и энергии) для следующих трофических уровней. Обычно чистая первичная продукция составляет не более 20% от валовой первичной продукции. Вещество и энергия, содержащиеся в пище, при поедании одних организмов другими переходят с одного трофического уровня на следующий. Непереваренная часть пищи, содержащая некоторое количество энергии, выделяется с экскрементами. Некоторое количество энергии содержат также органические отходы метаболизма (экскреты). Наконец, часть энергии теряется животными на дыхание. Энергия, оставшаяся после указанных потерь, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение организмов. Количество энергии, накопленное организмами-гетеротрофами на каждом трофическом уровне, составляет вторичную продукцию (ВП) данного уровня.