ФЕДEРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ»

КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ

В.Ф. ТУЛЬВЕРТ

КОНЦЕПЦИИ

СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Текст лекций для студентов заочного отделения

ИЗДАТЕЛЬСТВО

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ

ББК Т Тульверт В.Ф.

Концепции современного естествознания: Текст лекций. Для студентов заочного отделения.– СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2009.– 39 с.

Учебное пособие содержит материалы курса «Концепции современного естествознания», входящего в цикл общих математических и естественнонаучных дисциплин для студентов гуманитарных и экономических специальностей высших учебных заведений. Представленные материалы соответствуют Государственному образовательному стандарту РФ по этому курсу и направлены на формирование у студентов целостного материалистического взгляда на природные явления, происходящие на разных иерархических уровнях организации материи. Основное внимание уделяется подробному анализу особенностей проявления динамических, статистических и эволюционных закономерностей в микро-, макро- и мегамире, вопросам нелинейной динамики самоорганизующихся систем, специфике поведения объектов живой природы и человека, взаимодействию физических, химических и биологических процессов в природе.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Н.П. Ильин (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) Издательство СПбГУЭФ, Учебная дисциплина «Концепции современного естествознания» (КСЕ) была включена в систему высшего гуманитарного образования в 1994/95 учебном году главным образом для того, чтобы ознакомить студентов гуманитарных специальностей с общепринятой в настоящее время естественно-научной картиной мира. Необходимость такого решения особенно остро проявляется на современном этапе развития цивилизации, когда, с одной стороны, рациональный подход все более проникает в традиционные гуманитарные области науки, а с другой стороны, имеет место тенденция к гармоническому синтезу компонентов культуры, когда «истина», «добро» и «красота» не противопоставляются, а взаимно дополняют друг друга.

В настоящее время курс КСЕ, относящийся к циклу общих математических и естественно-научных дисциплин (куда входят также «Высшая математика», «Информатика и вычислительная техника», «Экология и основы природопользования» и другие), присутствует в учебных программах практически всех российских высших учебных заведений гуманитарного профиля.

Настоящее пособие содержит организационные и методические материалы, которые должны помочь студентам-заочникам в их практической работе по изучению курса КСЕ.

ВВЕДЕНИЕ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Цели курса:

- повышение общего культурного и образовательного уровня экономистов;

- создание предпосылок для формирования современного инновационнотехнологического мышления экономистов;

- обогащение и совершенствование методов экономического исследования.

Конкретизируя эти цели, образовательный стандарт по курсу КСЕ предусматривает, что в результате изучения этой дисциплины студентыэкономисты должны иметь четкое представление:

* об основных этапах развития естествознания, особенностях современного естествознания;

* существующих концепциях пространства и времени;

* принципах симметрии и законах сохранения;

* понятии состояния в естествознании;

* корпускулярном и континуальном подходах к описанию природы;

* динамических и статистических закономерностях в естествознании;

* соотношении порядка и беспорядка в природе, о самоорганизации в живой и неживой природе;

* взаимодействии физических, химических и биологических процессов;

* специфике живого, принципах развития живых систем;

* месте человека в эволюции Земли, о ноосфере и парадигме единой культуры.

1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В КОНТЕКСТЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ

Прежде чем приступить к ознакомлению с основными идеями и концепциями, принятыми в настоящее время в естественных науках, целесообразно ответить на вопросы, что же такое естествознание, что является объектом его изучения. Фактически речь идет об определении «системы отсчета», в которой существует естествознание.

Такой системой отсчета для естествознания является КУЛЬТУРА – специфический способ организации и развития человеческой деятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, системе социальных норм и учреждений, духовных ценностях, совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.

Культуру принято делить на материальную, охватывающую результаты материальной деятельности человека, и духовную, включающую в себя сферу сознания, духовной деятельности. Компонентами духовной культуры являются мораль, право, религия, искусство и другие формы общественного сознания, включая основной объект нашего внимания – НАУКУ, функцией которой является получение и систематизация объективных знаний о действительности.

На следующем (более низком иерархическом уровне) наука подразделяется на естествознание (естественные науки), гуманитарные (или общественные) и технические науки.

Объектом изучения естествознания является ПРИРОДА, под которой понимается весь окружающий человека материальный мир, включая и «телесную оболочку» самого человека. Гуманитарные науки занимаются особенностями человеческого бытия (как индивидуального, так и общественного).

Естественные науки включают в себя математику, информатику и механику, физику, химию, биологию и медицинские науки, науки о Земле. На этом же иерархическом уровне гуманитарные науки подразделяются на историю, археологию, антропологию, экономику и социально-экономическую географию, философские науки, литературоведение, юридические и политические науки, социологию, искусствоведение и культурологию, психологию.

Следующий иерархический уровень содержит области знания. Например, науками о Земле являются геология, геохимия, геофизика, горные науки, океанология, физика атмосферы, география и гидрология суши. Дальнейшее дробление областей знания связано с еще большей конкретизацией рассматриваемых вопросов. Например, в геологии изучаются общая тектоника и геодинамика, тектоника континентов и дна океанов, литология, палеонтология и другие вопросы.

Но и этот иерархический уровень является далеко не последним.

Таким образом, наука имеет очень сложную иерархическую структуру, причем тенденция к усложнению этой структуры не ослабевает.

Итак, духовная культура (даже на ближайшем иерархическом уровне) имеет многокомпонентную структуру, включая в себя религию, науку, искусство, мораль, право и т. д. В чем природа такого разделения, по каким признакам оно осуществляется? Ответы на эти вопросы дает аксиология – философское учение о духовных ценностях и о структуре ценностного мира.

Человек находится в постоянном взаимодействии с окружающей средой, получая с помощью органов чувств необходимую информацию о ее состоянии и на основании этой информации реагируя на изменение внешних условий. В отличие от представителей животного мира, реакции которых являются инстинктивными (строго запрограммированными), поведение человека связано со специфическим способом обработки получаемой информации, которая осознается человеком в виде субъективного образа внешнего мира. Но сам по себе этот образ не приводит в действие исполнительные механизмы человеческих реакций. Их «включение» происходит лишь после оценки субъективного образа путем его сравнения с соответствующим идеальным образом (идеалом), присутствующим в сознании человека. Идеал концентрирует в себе весь видовой (филогенетический) и индивидуальный (онтогенетический) опыт реагирования на те или иные воздействия.

Оценка субъективного образа происходит с разных сторон, в соответствии с разными критериями. Эта многогранность оценки субъективного образа (а значит, и внешнего мира) и лежит в основе дифференциации компонентов духовной культуры, каждый их которых «отвечает» за тот или иной критерий оценки. Так, например, моральная оценка субъективного образа основывается на этических оценочных категориях («добро» – «зло»), с точки зрения «красоты» используются эстетические категории («прекрасное» – «безобразное»), в области права оценка связана с категориями «справедливости» и «несправедливости».

Наука также имеет свой специфический подход к информации о внешнем мире, который основан на применении оценочных категорий «истины» и «лжи». Именно поэтому одной из основных функций науки, наряду с получением нового объективного знания, является обоснование истинности этого знания.

Знания, получаемые в результате научной деятельности, не следует смешивать с другими формами знания. Например, элементарные знания, обусловленные биологическими закономерностями, свойственны и животным, и человеку, они служат необходимым условием их жизнедеятельности. Житейские знания являются основой социального поведения человека.

В отличие от этих и других форм, научное знание возникает в результате осмысления фактов и формулируется в виде объективных законов. А существующие уровни научного знания – эмпирический и теоретический – связаны с соответствующими формами научного исследования.

Эмпирическое исследование направлено непосредственно на объект и опирается на данные наблюдения и эксперимента. Полученный в результате массив информации проходит обработку, направленную на обнаружение качественных или количественных связей между опытными данными. А поскольку при этом исследователь старается за частными результатами увидеть общие закономерности, то основным методом обработки данных становится индукция.

Индуктивное обобщение экспериментальных результатов рассматривается как эмпирические законы. В качестве примеров таких законов можно привести законы Кеплера о движении планет, закон Ома. Основной проблемой, связанной с индуктивным обобщением опытных фактов, является обоснование истинности эмпирических законов, так как никакое конечное число подтверждающих наблюдений не может считаться исчерпывающим доказательством.

Теоретический уровень научного знания связан с совершенствованием и развитием понятийного аппарата науки и направлен на всестороннее познание объективной реальности в ее связях и закономерностях. Этот уровень возникает как необходимость обоснования истинности эмпирических законов и заключается в построении идеализированной модели того или иного объекта или явления. Фактически речь идет о конструировании такой идеальной структуры, что ее поведение было бы «похоже» на поведение реального прототипа. Классическими примерами таких теорий могут служить динамика материальной точки Ньютона, электростатика Кулона. Объект теоретического знания может выступать в различных формах, предполагать или не предполагать математическое описание, но при всех условиях он должен выступать как конструктивное средство развертывания всей теории. Соотношение элементов такого идеализированного объекта (исходных и выходных) представляет собой теоретические законы, которые, в отличие от эмпирических, формулируются путем определенных мыслительных действий с идеализированным объектом. Очевидно, что метод получения теоретического знания противоположен индукции и представляет собой процесс перехода от некоторых общих принципов, постулатов к их следствиям. Такой метод называется дедукцией.

В различных областях естествознания соотношение эмпирического и теоретического уровней знаний различно. Так, в современной физике огромное место занимает теоретическое знание. С другой стороны, в биологии, медицинских науках удельный вес идеализированных построений значительно меньше, чем эмпирической информации.

2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

На ранних исторических этапах отражение внешнего мира в сознании человека было цельным, нерасчлененным, синкретичным. Отдельные компоненты культуры (религия, искусство, наука) не только не были отделены друг от друга, но и вообще не существовали как самостоятельные формы бытия. В процессе развития такой синкретической культуры происходит формирование сакрального ядра, представляющего собой религиозное мировоззрение, пронизывающее и полностью подчиняющее себе все проявления человеческой жизни, в том числе и процессы накопления и использования знаний. Подобные религиозно-культурные комплексы типичны для государств Древнего мира (Египет, Вавилон, Персия, Китай, Индия), где в отдельных областях эмпирического знания и практической деятельности были достигнуты впечатляющие успехи. Но говорить о возникновении науки на этой ступени развития человечества нельзя.

Деятельность человека, направленная на познание окружающего мира, ориентировалась не на объективную истину (как того требует наука), а на достижение сакрально-религиозных целей, на нормативную регуляцию поведения человека в общине. В этих условиях знание оказывается не описанием объективных связей между явлениями, а наставлением, рецептом того, что и как надо сделать.

Синкретизм духовного бытия сохранился в ряде регионов мира вплоть до Нового времени, препятствуя дифференциации форм духовной деятельности и, следовательно, возникновению науки как специфического компонента культуры. Условия для начала такой дифференциации сложились во вполне определенном месте и во вполне определенное время (Древняя Греция, середина I тысячелетия до н. э.).

Резкое изменение характера общественной жизни в этом европейском очаге культуры к началу I тысячелетия до н. э. было обусловлено процессами колонизации, развития мореплавания и торговли. Это сопровождалось появлением большого числа нестандартных социально значимых ситуаций, для которых повторяемость, репродукция поведенческого стереотипа была либо вообще невозможна, либо опасна. Ключом к познанию стало теоретическое знание. В то же время теоретическое знание древних греков развертывалось как чисто умозрительное, спекулятивное. Но любое истолкование первопричины и первоначала пронизано эстетическими оценками (например, первое по времени совпадает с понятием лучшего, совершенного). Созерцательно-логический стиль мышления практически полностью игнорирует эмпирическую сторону жизни. Факт не является формой мышления. Даже известные достижения в прикладных областях знаний (например, Архимед) не позволяют говорить о развитой экспериментальной традиции греков. Таким образом, созерцательность, недостаточность эмпирических знаний, синкретизм истины, добра и красоты не позволяют считать Древнюю Грецию точкой отсчета науки. Можно говорить лишь о формировании протонаучного стиля мышления, о зарождении элементов научной деятельности.

Процесс становления науки, начавшийся в Древней Греции, продолжался вплоть до XVII в., когда наука окончательно сформировалась как самостоятельная духовная деятельность. Эпоха Средневековья оставила заметный след в этом процессе, прежде всего благодаря укреплению традиций христианства.

Почему? Во-первых, в христианском учении Бог является трансцендентной, сверхъестественной сущностью, поэтому Природу оказалось возможным онтологически «ослабить», сделать доступной объективному анализу. Вовторых, христианство является монотеистической религией, которая может позволить вере превратиться в систему постоянных природных законов, так как в политеистических религиях подобное истолкование Природы невозможно из-за «вмешательства» со стороны разных богов. Наконец, в-третьих, в мире нет другой религии, которая отдавала бы человеку центральное место, разрешая ему познавать окружающий мир, заключая его в рамки эмпирических и теоретических законов.

Закрепление самостоятельного статуса науки произошло лишь в XVIXVII вв. и было связано с деятельностью целой плеяды великих ученых. Именно к этому времени универсальным языком науки становится математика (Р.

Декарт), центральное место в научных исследованиях начинает занимать методология, основанная на опытном установлении отношений между фактами и дальнейшем их обобщении индуктивными методами (Ф. Бэкон). Исходным пунктом классической науки стала гелиоцентрическая система мира (Н. Коперник). Принцип относительности Г. Галилея, преобразования Галилея, принцип инерции вошли в механику Ньютона, с которой и началось классическое естествознание. Наконец, нельзя не отметить огромный объем экспериментальной информации, накопленной к XVII в., особенно в области астрономии, а также результаты ее обработки (например, законы Кеплера).

Начало первого – классического – периода в истории науки связывают с именем И. Ньютона. Фундаментом классического естествознания стала созданная им механика, которая позволила свести все многообразие механических движений к следствиям из двух законов – закона инерции и закона всемирного тяготения. Это настолько потрясло мир, что на два столетия классическая механика стала эталоном истинности и методологическим базисом познания.

К концу XIX в. казалось, что создание полной и окончательной естественно-научной картины мира практически завершено. Все явления природы являются следствием электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма).

Одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась также независимость объективных процессов в природе от субъекта познания.

Научная революция, ознаменовавшая переход к неклассическому этапу в истории естествознания, связана с именами двух ученых – М. Планка и А. Эйнштейна. Первый ввел в науку представление о квантах электромагнитного поля, второй останется в истории как автор специальной и общей теории относительности. В течение первой четверти века был перестроен весь фундамент естествознания, который в целом сохраняется и в настоящее время. Что же принципиально нового в понимании природы принесло с собой неклассическое естествознание?

Прежде всего, решающие шаги были сделаны в области атомной физики, где человек попал в совершенно новую познавательную ситуацию. Те понятия (положение в пространстве, скорость, траектория движения), которые с успехом работали при объяснении поведения макроскопических тел, оказались непригодными для отображения явлений микромира. В связи с этим в аппарат естествознания были введены понятия, которые не являются наблюдаемыми величинами, а позволяют определить лишь вероятность того, что соответствующие наблюдаемые величины будут иметь те или иные значения в тех или иных ситуациях.

Далеко за рамки естествознания вышел сформулированный Н. Бором и ставший основой неклассической физики принцип дополнительности, в соответствии с которым получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым.

Для неклассического естествознания характерно «объединение» противоположных понятий и категорий. Например, идеи непрерывности и дискретности уже не являются взаимоисключающими, а могут быть применены к одному и тому же объекту, в частности, к физическому полю или к микрочастице (корпускулярно-волновой дуализм).

Естествознание конца XX в. характеризуется рядом специфических черт, которые позволяют говорить о начавшемся повороте к новому этапу его развития. Этот этап получил название постнеклассического (или неонеклассического) и был предопределен не столько проблемами физики «переднего края»

(микромир, космос), сколько острой необходимостью понимания сложных экономических, социально-политических, общественных процессов, инициированных научно-техническим прогрессом. Наука перешла к изучению больших и очень сложных систем, какими являются человек, биосфера, общество. И если классическая и неклассическая наука занимались в основном изучением непрерывно протекающих процессов, достаточно плавных переходов между состояниями рассматриваемых объектов, то постнеклассическая наука начинает интересоваться вопросами возникновения новых качеств, связанных с переходом на более высокие уровни структурной организации. В связи с этим можно говорить о повороте от науки «существующего» к науке «возникающего».

Изменяется роль естествознания и науки в целом. Возможности человека сейчас таковы, что процесс познания природы уже нельзя считать актом бесстрастного наблюдения за чем-то внешним по отношению к наблюдателю.

Встает вопрос о цене знания, которая не должна быть столь «высокой», чтобы полученное знание привело бы человеческий род к гибели. Другими словами, истина перестает быть самодовлеющей категорией науки. Происходит не только сближение гуманитарных и естественных наук, но и различных компонентов культуры, т. е. процесс, противоположный тому, какой имел место в течение почти двух с половиной тысячелетий. Именно это имеется в виду, когда говорят о переходе к единой культуре (но не синкретизм).

История естествознания как смена научных парадигм проблем решений и методов исследования, господствующая в течение определенного времени в научном сообществе.

Вплоть до последнего времени развитие науки обычно рассматривалось как постепенный процесс накопления знаний, при котором факты, теории, методы исследований слагаются во все возрастающий запас достижений. Но в начале 60-х годов прошлого века сформировался новый подход, который базируется на представлении о скачкообразной смене основных концептуальных схем, моделей постановки проблем и их решений, то есть того, что и определяется термином парадигма. Автор этого подхода американский историк и философ Т. Кун обратил внимание на чередование определенных фаз познавательной активности. При этом большая часть исторического времени приходится на период «нормальной» науки, которая представляет собой процесс, направленный на постоянное расширение научного знания и его уточнение в рамках общепринятой парадигмы. При этом парадигма является и критерием истины, и критерием научности, и критерием значимости. А все, что не вписывается в парадигму, объявляется ненаучным. Однако по мере углубления и расширения научных исследований в поле зрения ученых попадают факты, не вписывающиеся в общепринятую парадигму. И если вначале эти факты (после попыток «привязать»

их к парадигме) иногда даже лишают статуса научности, то после того, как информация об «аномалиях» набирает «критическую массу», происходит научная революция, сопровождающаяся переходом на новую парадигму, для которой характерен принципиально новый взгляд на природу. Происходит не столько скачок на более высокий уровень знания, сколько перестройка самих взглядов на проблему. После этого вновь наступает период «нормальной» науки, но уже в рамках новой парадигмы.

Сколько же парадигм существовало за всю историю естествознания? В соответствии с современными воззрениями – две: ньютоновская и эволюционная.

В соответствии с первой природа в целом качественно не развивается, а все изменения связаны лишь с количественными характеристиками существующих материальных связей.

Иной подход к явлениям природы характерен для эволюционной парадигмы. В соответствии с ней динамика процессов в природе имеет непредсказуемый, уникальный характер. Это не исключает существования определенных закономерностей, но эти закономерности проявляются как тенденции развития, а не однозначная зависимость от начальных условий. Кроме того, в соответствии с эволюционной парадигмой изменения в природе могут приводить к появлению качественно новых объектов (например, рождение звезды из газопылевого облака или рождение человека), обладающих свойствами, которые полностью отсутствовали у структурных единиц, образующих эти объекты.

Можно сказать, что ньютоновская парадигма воспринимает природу как «мир существующий», а эволюционная парадигма – как «мир возникающий».

3. КОНЦЕПЦИЯ ДЕТЕРМИНИЗМА

В КЛАССИЧЕСКОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Созданная И. Ньютоном классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F = ma) и законом всемирного тяготения (F = Gm1m2 /r2). И все наблюдаемые человеком перемещения тел стали доступными аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяла любые запросы. Сильнейшее же впечатление произвело обнаружение в 1846 г. ранее неизвестной планеты Нептун, положение которой было рассчитано заранее на основании уравнений Ньютона.

К середине XIX в. авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность выводов были настолько убедительными, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные. Это мировоззрение часто называют «детерминизмом Лапласа».

В чем же причина эффективности ньютоновской механики?

Прежде всего, следует отметить, что законы механики формулируются не для реальных, а для идеальных объектов и ситуаций, которые разворачиваются в абсолютно пустом пространстве и в абсолютно независимом от этого пространства времени. Самой же важной идеализацией является материальная точка – объект, не имеющий геометрических размеров, но тем не менее обладающий массой. Положение в пространстве таких (и только таких!) объектов можно описать радиус-вектором r, конец которого описывает непрерывную линию, называемую траекторией.

Производная радиус-вектора r называется вектором скорости v = r, который направлен по касательной к траектории и характеризует изменение радиус-вектора как по длине, так и по направлению. Аналогично ускорение a = v = r описывает изменение вектора скорости по модулю и по направлению.

Фундаментом классической механики является утверждение о том, что в инерциальных системах отсчета* ускорение а материальной точки с массой m определяется силой F, характеризующей ее взаимодействия с другими материальными объектами Инерциальными называются системы отсчета, в которых свободное тело движется равномерно и прямолинейно или покоится.

В этом уравнении заключена вся классическая механика. С его помощью решается основная динамическая задача – определение траектории r(t) по заданным силам F.

Но для определения траектории r(t) необходимо знать не только данное уравнение, но также начальное положение и начальную скорость материальной точки. Именно поэтому говорят, что состояние материальной точки полностью определяется ее положением и скоростью:

Детерминизм ньютоновской механики обусловлен возможностью применения аппарата теории дифференциальных уравнений. А эта возможность, в свою очередь, появляется благодаря использованию очень сильных идеализаций – материальная точка, инерциальная система отсчета.

Очевидно, что эти идеализации, не являющиеся объективной реальностью, вносят элемент субъективизма в основы теории. Расплатой за этот субъективизм является ограниченность ньютоновской механики, которая проявляется, например, в невозможности описания необратимых процессов. С серьезными проблемами столкнулись ученые и при попытке применить аппарат ньютоновской механики к описанию очень быстрых движений. Решение этих проблем оказалось возможным в рамках специальной и общей теории относительности. Наконец, применение ньютоновской механики оказалось совершенно невозможным для описания движения в масштабах микромира (молекулы, атомы, элементарные частицы). Отказ от основных классических идеализаций (материальная точка, траектория, сила) потребовал полной смены не только математического аппарата, но и самой формулировки задачи о движении, которая из динамической превратилась в статистическую.

Несмотря на то что ничего принципиально нового в механике, кроме приведенного выше уравнения, нет, за прошедшие почти три века было предложено много различных приемов решения этого уравнения, когда не требуется знать траекторию r (t), а нужно только предсказать, может ли материальная точка переместиться из одного положения в пространстве в другое. Среди этих приемов выделяются те, которые основаны на законах сохранения.

В классической механике таких законов три: законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Закон сохранения энергии гласит, что полная механическая энергия материальной точки сохраняется при движении этой точки в поле потенциальных сил. А так как полная механическая энергия равна сумме потенциальной П и кинетической энергии Т, то закон сохранения энергии может быть записан в виде:

Закон сохранения импульса формулируется для замкнутой системы материальных точек и констатирует постоянство суммы их импульсов:

Закон сохранения момента импульса имеет большое значение в связи с движением тел в поле центральных сил, а также при вращении тел. В соответствии с этим законом импульс р = m v все время меняется, но момент импульса L = pr sin остается неизменным.

В 1918 г. немецкий математик Э. Нетер сформулировала теорему, согласно которой для физической системы, движение которой описывается некоторым дифференциальным уравнением, каждому непрерывному преобразованию симметрии координат и времени соответствует определенный закон сохранения, и наоборот.

Непрерывными преобразованиями симметрии пространства и времени являются сдвиг начала отсчета времени и координат и поворот осей координат в пространстве. Если при смещении начала отсчета времени ничего не меняется в поведении рассматриваемых объектов, то говорят, что время однородно. Аналогично, если пространство симметрично относительно сдвига начала координат и поворота осей координат, то говорят, что пространство однородно и изотропно.

Согласно теореме Нетер, из однородности времени вытекает закон сохранения энергии, из однородности пространства – закон сохранения импульса, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса, и наоборот.

Отмеченная связь законов сохранения с симметрией пространства и времени имеет большое философское значение. Действительно, однородность времени фактически означает отсутствие фиксированного начала его отсчета, т.е. бесконечность («вечность») времени. Однородность пространства таким же образом означает его неограниченность, бесконечность. Но тогда если считать пространство и время формами существования материи, то аналогичный вывод можно сделать и о материальном мире: он вечен и бесконечен.

4. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ И КОНТИНУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ

В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира.

Одно из них – континуальная концепция – базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, «сплошности» и было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет внутри себя пустоты.

Другое представление – атомистическая (корпускулярная) концепция – было основано на дискретности пространственно-временного строения материи и отражало уверенность в возможности деления материальных объектов на части лишь до определенного предела – до атомов, которые в своем бесконечном многообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Атомы при этом не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.

Эти представления о структуре материи просуществовали без крупных изменений до начала XX в., оставаясь двумя антиномиями*.

Триумф ньютоновской механики значительно укрепил позиции сторонников корпускулярной структуры материи. Но континуальный подход отнюдь не оказался выброшенным «на свалку». Именно на его основе был разработан математический аппарат теории поля.

В основе теоретико-полевого формализма лежит специфический способ описания состояния вещественных объектов. Вместо того чтобы, как это делалось в механике материальных точек, указывать состояние (положение + скорость) каждой частицы и следить за изменением этих состояний, отмечают скорость v (r), которую имеют в каждой точке r пространства все проходящие через нее частицы. Другими словами, состояние рассматриваемой среды в момент времени t при таком способе характеризуется векторной функцией v (r, t), определенной одновременно во всех точках (!) непрерывного пространства. При этом говорят, что задано поле скоростей.

В общем случае если некоторая физическая величина имеет определенное значение в каждой точке или части пространств, то таким образом определяется поле этой величины и если данная величина – скаляр (температура, давление, плотность), то поле ее называется скалярным, а если же данная величина – вектор (скорость, сила), то поле называется векторным.

С корпускулярным подходом тесно связана концепция дальнодействия, в соответствии с которой взаимодействие между телами осуществляется мгноАнтиномия – противоречащие друг другу высказывания о предмете, допускающие одинаково убедительное обоснование.

венно и непосредственно через пустое пространство, которое не принимает в этом никакого участия.

В 30-е годы XIX века английский физик М. Фарадей выдвинул новый подход к природе электрических взаимодействий, который стали называть концепцией близкодействия. В соответствии с этой концепцией тело А, имеющее заряд qА, создает в пространстве то, что Фарадей назвал электрическим полем.

Другое тело В, имеющее заряд qВ, «чувствует» это поле в том месте, где оно находится. Это проявляется в том, что на тело В действует сила FВ = (k qА qВ/r2) er, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, r – расстояние между телами А и В, er – единичный вектор в направлении от А к В. То же самое можно сказать и о теле А, на которое со стороны электрического поля, созданного телом В, действует сила FА = -FВ. Таким образом, введенное Фарадеем поле является промежуточным звеном, переносчиком электрического взаимодействия. И в отличие от полей, описывающих состояние объектов в механике сплошных сред, электрическое поле Фарадея обозначало новую материальную сущность, отличающуюся от вещества. Аналогичный подход привел Фарадея к еще одной физической реальности – магнитному полю, с помощью которого осуществляется магнитное воздействие между электрическими токами (движущимися зарядами). С точки зрения концепции близкодействия можно рассматривать и тяготение, предполагая существование гравитационного поля, являющегося переносчиком такого взаимодействия.

Итак, в соответствии с классическим мировоззрением материя существует в двух формах: вещество (корпускулярный подход) и поле (континуальный подход).

5. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Понятия пространства и времени играют важнейшую роль в человеческом мышлении.

Развивая атомистическую доктрину, Ньютон ввел в созданную им механику абсолютное, не зависящее от материи, пустое пространство и абсолютное, не зависящее от пространства и от материи, время.

Созданная Ньютоном концепция абсолютного пространства и абсолютного времени безраздельно господствовала в науке вплоть до конца ХIХ в. Ее ограниченность стала выясняться в связи с развитием представлений об электромагнетизме и привела (наряду с другими обстоятельствами) к становлению специальной теории относительности (СТО), в соответствии с постулатами которой время нельзя рассматривать независимо от системы отсчета, с которой связана система пространственных координат: время становится одной из «координат» системы отсчета. Поэтому в СТО явления природы рассматриваются в едином четырехмерном пространстве-времени.

И наконец, в соответствии с общей теорией относительности А. Эйнштейна «пространство-время» проявляется как свойство гравитационного поля.

При этом гравитационное поле равносильно искривлению пространствавремени. В свою очередь это искривление определяет законы движения материи.

6. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ

Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости процессов в природе. Если снять кинофильм о движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, фактически невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивается пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в ситуациях, когда снимается «фильм» о движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц. Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, вначале все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно, и если при демонстрации «фильма» обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивается в обратном направлении. Такое поведение, когда отдельные состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все процессы в природе необратимы: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. В чем же природа необратимости?

Можно ли обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона?

Формально для этого надо записать уравнения движения (m a = F) и задать начальные состояния каждой частицы. Однако ни решить такую чудовищно большую систему уравнений, ни, самое главное, проанализировать полученное решение невозможно. А значит, и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.

Первым, кто понял, что задачу о динамике систем, состоящих из очень большого числа частиц, нужно решать по-другому, был Дж. Максвелл. Именно он ввел в физику понятие вероятности, используемое математиками при анализе случайных явлений. Максвелл исходил из того, что в принципе невозможно не только проследить за изменениями положений и импульсов каждой частицы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех частиц в заданный момент времени. Их следует рассматривать как случайные величины, которые могут принимать различные значения, подобно тому, как при бросании игральной кости может выпасть любое число от 1 до 6.

Итак, под динамическими закономерностями (или теориями) понимаются закономерности, в которых связи всех физических величин однозначны. В статистических же теориях однозначно связаны только вероятности определенных значений физических величин, а связи между самими величинами неоднозначны.

Общность этих теорий проявляется в том, что они вводят в качестве основного понятие состояния физической системы. Различие же между ними – в определении этого состояния. В классической механике состояние задается координатами и импульсами материальных точек; в статистической – определяется вероятностями того, что та или иная частица имеет координаты и импульсы в определенном диапазоне возможных значений.

Изменение состояния в статистических теориях определяется – как и в динамических – уравнениями движения. При этом по заданному статистическому распределению в начальный момент времени однозначно определяется распределение в любой последующий момент времени. Главной же особенностью статистических уравнений движения является то, что их решения соответствуют необратимой трансформации функции распределения к некоторому равновесному значению. Это означает, что какой бы ни была начальная функция распределения частиц, в конце концов, она, постепенно изменяясь, станет равновесной. Таким образом, статистическая механика позволяет описать необратимое поведение системы, состоящей из большого числа частиц.

Еще до возникновения статистической термодинамики были известны два основных закона термодинамики, которые обобщали известные к тому времени опытные факты.

Один их них – первое начало термодинамики – являлся фактически законом сохранения энергии и формулировался следующим образом: количество теплоты Q, сообщенное системе, равно сумме приращения ее внутренней энергии U и совершенной механической работы A:

Этот закон, однако, ничего не говорит о направлении протекания тепловых процессов. Необратимость тепловых процессов отражает специальный закон – второе начало термодинамики, имеющий несколько эквивалентных формулировок:

- тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему;

- энтропия замкнутой системы является неубывающей функцией, т. е.

при любом реальном процессе она либо возрастает, либо остается неизменной.

Энтропией называется физическая величина, приращение которой S равно количеству тепла Q, полученному системой, деленному на абсолютную температуру:

Несложно показать, что при перетекании тепла от горячего тела к холодному энтропия системы, действительно, возрастает.

Физическая сущность понятия энтропии была вскрыта статистической механикой. Оказалось, что энтропия S – это не что иное, как умноженный на постоянную Больцмана k = 1,38 10-23 Дж/К натуральный логарифм вероятности Р данного состояния макроскопической системы:

При таком определении энтропии становится понятным, что возрастание энтропии замкнутой системы – это переход системы в наиболее вероятное состояние.

С понятием вероятности состояния, а следовательно и с энтропией, связано и представление об упорядоченности системы. Чем больше порядок в системе (например, все молекулы газа находятся в одной точке пространства), тем меньше ее энтропия и меньше вероятность такого состояния. Наоборот, чем меньше упорядочена система, тем больше ее энтропия, больше вероятность такого состояния. Таким образом, статистический смысл второго начала термодинамики заключается в том, что изолированные системы самопроизвольно переходят из упорядоченных в неупорядоченные состояния.

7. НЕКЛАССИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ В НАУКЕ О МИКРОМИРЕ

В конце XIX в. казалось, что физическая картина мира в основном создана. Успехи ньютоновской механики и максвелловской электродинамики были столь грандиозными, что решение оставшихся проблем считалось делом техники и ближайшего будущего. Одной из таких проблем был и на первый взгляд частный вопрос о спектрах излучения нагретых тел. Никто не предполагал, что именно это небольшое облачко на ясном небе классической физики, в конце концов, приведет к буре в умах людей, которая закончится формированием совершенно нового взгляда на материальный мир.

Чтобы как-то объяснить уменьшение вклада высокочастотных колебаний в спектр излучения нагретого тела, М. Планк в 1900 г. выдвинул смелую гипотезу о том, что нагретое тело излучает электромагнитные волны порциями (квантами), а энергия Е каждой такой порции определяется ее частотой: Е = h, где h = 6,62 10-34 Джс – постоянная, которую в дальнейшем назвали постоянной Планка.

А. Эйнштейн подхватил идею Планка, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются квантами, но и поглощаются квантами.

Когда же было экспериментально продемонстрировано, что и процесс распространения света имеет квантовый характер, стало ясно, что электромагнитное поле имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: в одних экспериментах (дифракция, интерференция, поляризация) оно ведет себя как электромагнитная волна, в других (излучение нагретых тел, фотоэффект) – как поток частиц (квантов). Такое представление о природе материальных объектов получило название корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовая гипотеза Планка легла в основу созданной в 1913 г. Н. Бором новой теории строения атома, согласно которой:

- электроны в атоме находятся на определенных дискретных орбитах с энергиями Еn, (n = 1, 2,...), не излучая при этом электромагнитных волн;

- при мгновенном (!) же переходе с орбиты Еm на орбиту Еn испускается или поглощается квант света h с энергией, равной разности энергий электрона на соответствующих орбитах h = Еm – En.

Еще одна революционная гипотеза была выдвинута в 1924 г. Л. де Бройлем. В соответствии с этой гипотезой движение частицы, имеющей импульс p = mv и энергию Е, связано с некоторым волновым процессом, длина которого = h / p, а частота = Е / h, где h – постоянная Планка. В 1927 году эксперименты Дэвиссона и Джермера подтвердили «сумасшедшую» идею де Бройля и наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества.

Отличие квантовых подходов от классических представлений было настолько велико, что XX в. стал прочно ассоциироваться с новым этапом в естествознании, который называют неклассическим.

8. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕГАМИРЕ

Эволюция биологических объектов, человека и человеческого общества, а также некоторых объектов неживой природы (галактики, звезды) отличается особенностями, которые не укладываются в рамки динамических и статистических закономерностей. В первую очередь это означает, что состояние таких объектов не только нельзя однозначно предсказать, но нельзя даже определить вероятность того или иного состояния в будущем. Речь, конечно, не идет о принципиальной «непознаваемости» этих объектов. Напротив, закономерности здесь проявляются с удивительной «неотвратимостью».

Эволюционные процессы необратимы на уровне индивидуальных объектов. И если статистическая необратимость, связанная с увеличением энтропии, ведет к упрощению структуры объектов, переходу в неупорядоченное, хаотическое состояние, то в результате эволюции структура объектов обычно усложняется.

В результате эволюции объекты могут перейти в качественно новое состояние, на другой уровень структурной организации, где законы поведения уже не сводятся к тем, которые имели место на более низком уровне организации.

Согласно космологической модели А. Эйнштейна – А. А. Фридмана невозможно стационарное, т.е. не изменяющееся со временем состояние Вселенной. Из общей теории относительности вытекает, что при определенных условиях Вселенная будет либо пульсировать, то расширяясь до какого-то объема, то сжимаясь в «точку», либо неограниченно расширяться. А какой из сценариев эволюции Вселенной реализуется, зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции.

В соответствии с современными представлениями примерно 20 млрд лет назад произошел так называемый Большой Взрыв, когда вещество всей Вселенной ( 1051 тонн) из спрессованного в объеме 10-36 см3 состояния (что соответствует радиусу мира, равному размеру ядра атома) начало расширяться. К концу первой секунды Вселенная занимала уже объем примерно в сто раз больше нынешних размеров Солнечной системы. Средняя плотность вещества измерялась в этот момент тонной на кубический сантиметр, а температура – десятком миллиардов градусов. Здесь нет привычных атомов и атомных ядер, так как они не могут выдержать столь высокого нагрева. Нет вообще стабильных элементарных частиц.

Проходит три с половиной минуты, и опять все меняется феерически.

Радиус Вселенной теперь уже сорок световых лет. Средняя плотность – в сто раз меньше плотности воды, а температура падает до миллиарда градусов. Материя постепенно приобретает стабильные формы. Протоны рождают нейтроны, из протонов, нейтронов и электронов образуются первые атомные ядра простейших химических элементов – водорода и гелия. К концу четвертой минуты вселенная представляет собой нечто вроде горячей «каши» из 70 процентов (по весу) водорода и 30 процентов гелия.

Через двадцать – тридцать миллионов лет от огненного шара остается мало следов. Пространство холодно. Отдельные блуждающие в нем частицы, сталкиваясь и обмениваясь энергиями, дают общий температурный фон около нуля градусов. Однако эта Вселенная отнюдь не безжизненна. В ее холодном царстве то тут, то там вспыхивают и разгораются гигантские сгустки плотных масс материи – звезды.

Звезды являются самыми распространенными объектами Вселенной, они образуются в результате гравитационной конденсации межзвездной среды, состоящей из различных газов (водород, гелий и другие) и пыли (твердые микроскопические частицы силикатов, графита и т. п.).

Первоначально такое сжатие не приводит к увеличению температуры облака, так как имеет место достаточно эффективное охлаждение среды: высвобождающаяся энергия гравитации идет на возбуждение атомов водорода, которые затем излучают кванты инфракрасного диапазона, уходящие в космическое пространство. При увеличении плотности облака оно становится непрозрачным для излучения, и с этого момента начинается повышение температуры внутренних областей. Это уже не облако, а протозвезда.

В конце концов температура в недрах протозвезды достигает порога термоядерных реакций синтеза. При этом соответствующее давление газа уравновешивает силу гравитации, и с этого момента начинается жизнь звезды.

Звезды – это раскаленные газовые шары, которые «цементируются» силой всемирного тяготения. Если бы не было этой силы, газ рассеялся бы в космическом пространстве. С другой стороны, если бы на газ, образующий звезду, действовала только сила гравитации, то звезда катастрофически сжалась бы за несколько минут! Таким образом, имеет место точнейшее равновесие между гравитацией и давлением. При этом в «топку» звезды поступают все новые и новые порции ядерного горючего.

На конечной стадии эволюции звезд, когда все ядерное топливо выгорело, тепловое давление уже не в состоянии противодействовать гравитации и начинается процесс гравитационного сжатия. У звезды, масса которой не превышает 1,4 массы Солнца, гравитационное сжатие останавливается, когда вещество переходит в так называемое вырожденное состояние с очень большой плотностью. Звезда еще сохраняет высокую температуру, но постепенно остывает и медленно сжимается в течение многих миллионов лет. Такие очень слабые звездочки – «белые карлики» – остаются видимыми, пока окончательно не остынут и не превратятся в шары из вырожденного вещества – «черные карлики».

Если масса звезды после выгорания ядерного топлива превышает массу Солнца примерно в полтора раза (точнее в 1,4 раза), ее ждет более драматический конец. Силы гравитационного сжатия на последнем этапе жизни звезды настолько велики, что им не может противостоять даже вырожденное вещество.

Плотность вещества достигает миллиона тонн в куб. см, при этом атомные ядра раскалываются как орехи. Выделяется огромная энергия – происходит гигантский взрыв. Такой процесс называется взрывом сверхновой звезды. В течение нескольких суток сверхновая испускает больше света, чем целая галактика. В летописях зафиксированы несколько событий, которые можно трактовать как взрыв сверхновой, в частности 4 июля 1054 г.

Если же масса умирающей звезды больше, чем в два с половиной раза превышает массу Солнца, то гравитационное сжатие уже не может быть остановлено (гравитационный коллапс), и звезда превращается в «черную дыру».

Черная дыра – это такой объект, для которого вторая космическая скорость превышает скорость света, а значит, ни вещество, ни излучение не могут покинуть этот объект.

История Земли насчитывает примерно 4,6 млрд лет и подразделяется на временные отрезки, для каждого из которых характерны определенные физические, химические, климатические параметры, а также этапы эволюции живой природы.

Первый, самый ранний временной отрезок, называемый катархей или «лунный период», соответствует формированию Земли, ее атмосферы и водной среды. Жизни на Земле на протяжении первых 1–1,5 млрд лет не существовало ни в какой форме, поскольку не возникли соответствующие физико-химические условия. На этом этапе происходили интенсивные тектонические процессы, сопровождавшиеся перераспределением по глубине Земли химических элементов. Более тяжелые элементы перемещались к центру Земли, более легкие – к поверхности. Ядерные реакции распада, происходившие в центре и глубинных слоях планеты, способствовали разогреву Земли. В атмосфере преобладали соединения серы, хлора, азота, содержание кислорода было в сотни раз меньше, чем сейчас. Интенсивные вулканические и грозовые процессы способствовали формированию водной среды – в ней и начали образовываться первые органические молекулы.

Архей и протерозой – две наиболее крупные эры, в течение которых начала формироваться жизнь на уровне микроорганизмов. Эти две эры объединяют в «надэру» – криптозой (время скрытой жизни). Первые многоклеточные организмы появились в самом конце протерозоя около 600 млн лет назад, когда на Земле сформировались благоприятные условия и началось бурное развитие живых организмов. С этого момента наступило «время явной жизни» – фанерозой. Этот отрезок геологической истории подразделяют на 3 эры – палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра продолжается до сих пор.

Внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам и образует слоистую структуру:

1. Верхний слой Земли называется земной корой, верхние слои которой состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15–20 км.

2. Мантия – распространяется до глубины 2900 км.

3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро и твердое ядрышко.

Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000–30000С, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается постоянной.

Плотность Земли возрастает с 2,6 г / см3 на поверхности до 6,8 г / см3 на границе ядра Земли, а в центральных областях составляет 16 г / см3.

Давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн атм., а в центре ядра – 3,5 млн атм.

Помимо твердой внешней оболочки Земли – литосферы, выделяют водную оболочку – гидросферу и воздушную оболочку – атмосферу.

Под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Больше всего на Земле жидкой воды, которая образует на поверхности Земли Мировой океан, занимающий 70,8% площади земной поверхности. Вода, благодаря своим уникальным свойствам, имеет исключительно важное значение для создания на Земле оптимального теплового режима. Именно в ней зародилась и без нее была бы невозможна органическая жизнь.

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое. Атмосфера образовалась главным образом из газов, выделенных литосферой после формирования планеты. Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.

9. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Основой живого или субстратом жизни являются белки и нуклеиновые кислоты – биополимеры, находящиеся в тесном взаимодействии и взаимозависимости. Белки не только строительный материал живого, они играют важнейшую роль во всех жизненных функциях (в том числе и в процессе синтеза нуклеиновых кислот), выступая в качестве биокатализаторов. Нуклеиновые кислоты, в свою очередь, предопределяют структуру всех белков, синтезируемых в организме. Всем живым организмам на Земле присущ универсальный генетический код: каждой из двадцати аминокислот, образующих все белки организма, соответствует определенная последовательность трех нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Таким образом, характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация.

Классическим определением жизни стала формулировка Ф. Энгельса:

«Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь».

Фундаментальные свойства живой материи Обмен веществ (метаболизм) – совокупность протекающих в живых системах химических превращений, обеспечивающих их жизнедеятельность, воспроизведение, развитие, постоянный контакт с окружающей средой, способность адаптироваться к ее изменениям.

Поддержание жизни на любом уровне организации живой материи связано с репродукцией. Размножение необходимо для того, чтобы обеспечить непрерывность существования видов, оно компенсирует потери, обусловленные естественным отмиранием особей, и таким образом поддерживает сохранение вида.

Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток генетической информации) между поколениями организмов.

Но наряду с наследственностью, живым организмам свойственна и изменчивость, под которой понимают свойство живого приобретать новые признаки и утрачивать прежние. Проявляется изменчивость в разнообразии организмов, принадлежащих к одному и тому же виду.

Всем живым организмам свойствен процесс индивидуального развития – онтогенез. На всех этапах онтогенеза регулирующее влияние на развитие организма оказывают различные факторы внешней среды (температура, гравитация, давление, состав пищи).

Неотъемлемым свойством организмов и всех живых систем является раздражимость – способность воспринимать внешние или внутренние воздействия и адекватно на них реагировать.

Эволюция организмов представляет собой необратимый процесс исторического развития живого. В ходе эволюции происходит последовательная смена видов. По своему характеру эволюция является прогрессивной – от доклеточных форм и одноклеточных организмов до человека. С появлением человека возникла новая форма существования материи – социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек в отличие от всех других видов организмов представляет собой существо биосоциальное.

Какое же место в системе живых организмов занимает человек как самостоятельный биологический вид?

«ВИЗИТНАЯ КАРТОЧКА» ЧЕЛОВЕКА

10. БИОСОЦИАЛЬНАЯ ПРИРОДА ЧЕЛОВЕКА

В процессе антропогенеза (эволюционно-исторического процесса формирования человека) на нашей планете возникла высшая форма существования материи – социальная.

Появление человека является результатом развития жизни в одной из ее эволюционных ветвей – царстве животных. Биологический вид Homo sapiens представляет собой уникальную жизненную форму, соединяющую в себе биологическую и социальную сущности. Это соединение обусловлено длительным процессом биологической эволюции и исторического развития человечества.

Социальность не противопоставляет людей остальной природе. Биологические процессы с необходимостью происходят в организме человека, им принадлежит фундаментальная роль в обеспечении важнейших сторон жизнеспособности и развития. Тем не менее в популяциях людей эти процессы не приводят к результатам, обычным для остального мира живых существ. Так, естественный отбор – движущий фактор эволюции живых организмов – утратил свое значение в развитии человека (например, в видообразовании), уступив ведущую роль социальным факторам.

Крупнейшим обобщением современного естествознания является учение о биосфере, созданное великим русским ученым В. И. Вернадским.

С момента своего появления организмы существуют и развиваются в тесном взаимодействии с неживой природой – складывается принципиально иная (планетарных масштабов) система – биосфера.

Живые организмы обитают во всех трех оболочках планеты – литосфере, гидросфере и атмосфере. Поскольку основным источником энергии, обеспечивающей функционирование биосферы, является лучистая энергия Солнца, то, в основном, живые существа обитают в тех зонах, куда поступает свет.

Развитие жизни в результате биологической эволюции превращает «живое вещество» (термин, введенный В.И. Вернадским) планеты в мощный геологический фактор. В.И. Вернадский писал: «Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы». Развитие человеческого общества приводит к тому, что деятельность человека оказывает все усиливающееся воздействие на биосферу и порождает целый комплекс антропогенных факторов, разрушительно влияющих на неживую и живую природу планеты. Сейчас эти процессы стремительно нарастают и угрожают глобальной экологической катастрофой. Преодоление кризисной ситуации В.И. Вернадский связывал с наукой. Именно в науке он усматривал ту силу, которая обусловливает новый этап в развитии биосферы – переход в новое состояние – ноосферу – новый этап в развитии биосферы, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы (ноосфера – «сфера разума»). Главная цель в построении ноосферы заключается в сохранении того типа биосферы, в которой возник и может существовать человек.

11. САМООРГАНИЗАЦИЯ В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Уже упоминалось, что любая замкнутая макроскопическая система, т.е.

система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом и энергией, с течением времени эволюционирует к состоянию статистического равновесия, когда отсутствуют какие-либо макроскопические структуры. Напомним, что эволюция макроскопической системы в состояние статистического равновесия связана с законом возрастания энтропии замкнутой системы.

Может показаться, что закон возрастания энтропии утверждает, что в природе должны существовать лишь процессы, в которых происходит разрушение упорядоченных структур и переход от порядка к хаосу. Например, капля чернил постепенно растворяется во всем объеме воды и вместо первоначальной структуры (капли) образуется однородная бесструктурная смесь.

Однако, наряду с такими процессами, в природе существуют и противоположные процессы, связанные с образованием структур из хаоса. Такие процессы называются также процессами самоорганизации. Наиболее наглядно такие явления демонстрирует живая природа. Из семечка, посаженного в землю, может вырасти большое растение со сложной структурой (ствол, ветви, листья, цветы) и вся огромная (по сравнению с первоначальным семечком) масса этого растения образуется из бесструктурного вещества (вода, углекислый газ, элементы почвы).

Много примеров процессов самоорганизации и в неживой природе.

Снежинки, обладающие прекрасной структурой, образуются из бесструктурного водяного пара. Классическим примером образования структур из полностью хаотической фазы в лабораторных условиях являются ячейки Бенара.

Процессы самоорганизации проявляются и в обществе, живущем по социальным законам. Бесструктурное при первобытнообщинном строе общество в ходе истории трансформировалось в общество со многими иерархическими структурами и объединениями.

Таким образом, процессы самоорганизации являются достаточно типичным свойством нашего мира, а следовательно, должны подчиняться и некоторым общим законам. Соответствующее научное направление выделилось в отдельную область, для которой Г. Хакен (1973 г.) предложил название синергетика. Предметом этой новой области науки является изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственно-временные структуры.

Общие свойства систем, способных к самоорганизации 1. Самоорганизация – процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно, энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе, т. е. второму началу термодинамики. Из приведенных примеров видно, что все подобные системы являются открытыми системами, т. е. системами, обменивающимися с окружающими их системами либо веществом, либо энергией или и тем и другим. Таким образом: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. И если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

2. Самоорганизация происходит в системах, состояние которых существенно отличается от состояния статистического равновесия.

3. Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. Только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций – макроскопических неоднородностей.

4. Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. В системах, эволюция которых описывается линейными уравнениями, малые изменения начального состояния приводят к малым изменениям конечного состояния. Для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство не имеет места.

Заметим, что при планировании своих действий человек обычно мыслит в линейном приближении, которое часто не оправдано, если речь идет о сложных системах, например, при планировании социальных и экономических процессов в обществе, а в результате: «хотели, как лучше, а получилось, как всегда».

Возникновение структур происходит, когда некоторые параметры, определяющие эволюцию системы, превышают критические значения. Такое качественное изменение поведения объекта при некоторых критических значениях, определяющих этот объект параметров, называется бифуркацией.

В общем случае при бифуркациях развитие процесса возможно в разных направлениях. При этом выбор направления развития процесса определяется, как правило, случайными факторами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сейчас интересы научного сообщества все больше смещаются от проблем микро- и мегамира к насущным вопросам человеческого бытия. Конечно, люди всегда будут стремиться заглянуть в глубь материи и выяснить, из чего же все-таки состоит наш мир, однако очевидным становится тот факт, что «цена» этого знания может оказаться слишком высокой. Именно с этим связано смещение интереса в естествознании на проблемы медицины, биологическую тематику, на исследования Земли.

ХХ век стал веком физики.

Каким будет наступившее столетие? Можно сказать, что XXI век будет «веком биологии»?

Ревизии подвергаются и сами основы естествознания. По-видимому, естествознание будущего вряд ли будет ориентировано только на объективную истину «любой ценой», а так или иначе будет включать «человеческий фактор» в научное знание о Природе. Можно сказать, что находящееся сейчас в точке бифуркации современное естествознание в ближайшее время придет к новой парадигме, определяющей его развитие в будущем.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ

К ЗАЧЕТУ ПО КУРСУ

1. Иерархия уровней культуры. Основные компоненты культуры.

2. Аксиологическая многомерность духовной культуры. Определение науки.

3. Эмпирический и теоретический уровни научного знания.

4. Основные этапы развития естествознания:

- Зарождение науки в Древней Греции.

- Классический этап в развитии естествознания.

- Особенности неклассического естествознания.

- Основные черты современного естествознания.

5. История естествознания как смена научных парадигм. Ньютоновская и эво люционная парадигмы в естествознании.

6. Концепция детерминизма в классическом естествознании. Состояние меха нической системы.

7. Законы сохранения и их связь с преобразованиями симметрии пространства и времени.

8. Корпускулярные и континуальные концепции в естествознании.

9. В чем смысл концепций дально- и близкодействия?

10. Основные постулаты специальной теории относительности Эйнштейна.

11. Порядок и беспорядок в природе. Термодинамический и статистический смысл понятия энтропии. Принцип возрастания энтропии.

12. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип дополнительности и принцип неопределенности.

13. Особенности эволюционных процессов в природе, их отличие от динами ческих и статистических процессов.

14. В чем суть гипотезы «большого взрыва»?

15. Основные этапы эволюции звезд.

16. Происхождение и эволюция Земли.

17. Внутренние и внешние оболочки Земли.

18. Фундаментальные свойства живой материи.

19. В чем состоит биосоциальная природа человека?

20. Что такое биосфера? Понятие о ноосфере.

21. Самоорганизация в живой и неживой природе. Свойства систем, способных к самоорганизации.

ВАРИАНТ КОМПЬЮТЕРНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ

В декабре 2005 г. в СПбГУЭФ было проведено пробное тестирование по дисциплине КСЕ для нескольких студенческих потоков дневного отделения.

Основной задачей тестирования была организационная и методическая апробация этой формы контроля уровня усвоения материала курса КСЕ. В связи с тем что в дальнейшем предполагается использовать такое тестирование и на заочном отделении, в настоящем пособии для ознакомления приводятся примеры вариантов компьютерного теста.

В приведенном ниже варианте компьютерного теста правильные ответы выделены полужирным курсивом.

1. Основным логическим методом обработки результатов на эмпирическом уровне научного знания является:

2. Какие утверждения являются постулатами специальной теории относительности А.Эйнштейна:

ii. не существует абсолютно неподвижных инерциальных iii. скорость света является одной и той же в любой инерциальной системе отсчета;

iv. время инвариантно относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую?

3. В Древней Греции:

i. наука и техника развивались согласованно;

ii. наука и техника развивались независимо;

iii. науки и техники не существовало;

iv. наука существовала, а техники еще не было;

v. техника существовала, а науки еще не было.

4. В иерархической структуре духовной культуры на одном уровне с наукой находится:

5. Древнегреческие натурфилософы впервые разработали:

i. методику наблюдений за явлениями природы;

ii. систему доказательств – логику;

iii. теоретический способ получения знаний;

iv. экспериментальный способ получения знаний.

6. Синкретизм – это:

i. взаимообусловленность, причинно-следственная связь всех ii. нерасчлененность отражения внешнего мира в сознании iii. сближение гуманитарных и естественных наук, других компонентов культуры;

iv. теоретический метод научного познания;

v. эмпирический метод научного познания.

7. Приверженцем континуальной концепции был:

8. Эксперимент как метод естествознания был развит в:

9. Состояние системы в классической динамике определяется:

ii. координатами элементов системы;

iii. скоростями элементов системы;

10. Триумфом небесной механики называют обнаружение:

11. Какие процессы и явления не могут быть описаны ньютоновской механикой:

i. движения с большими скоростями;

v. явления в масштабе микромира?

12. В каком году была сформулирована специальная теория относительности:

13. Состояние системы в термодинамике определяется:

ii. координатами элементов системы;

iii. скоростями элементов системы;

14. Эволюция звезды завершается образованием «белого карлика», если после завершения цикла термоядерных реакций синтеза масса звезды:

15. Кванты (порции) энергии были введены в естествознание:

i. М. Планком в связи с исследованием спектров излучения ii. А. Эйнштейном в связи с исследованием фотоэффекта;

iii. Н. Бором в связи с созданием планетарной модели атома;

iv. Дж. Максвеллом в связи с созданием электромагнитной теории.

16. Энергия кванта электромагнитного поля определяется следующим соотношением:

17. Человек как живой организм относится к царству:

18. Биосфера включает в себя:

iv. верхнюю часть литосферы;

vi. верхнюю часть гидросферы.

19. Самоорганизация происходит:

iii. в системах, состояние которых существенно отлично от состояния статистического равновесия;

iv. в системах, состоящих из небольшого числа элементов;

v. в системах с большим числом элементов.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 1997.

2. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. – М.: Аспект Пресс, 2000.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник / Под ред. акад. РАН М.Ф. Жукова. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Академия, 2003.

4. Канке В.А. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.

Изд. 2-е, испр. – М.: Логос, 2003.

5. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания. – СПб.: Лана, 2009.

6. Кожевников Н.М., Тульверт В.Ф. Концепции современного естествознания. – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2004.

7. Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука, 1994.

8. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

9. Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. – М.:

Агар, 2000.

10. Биологический, Физический, Философский энциклопедические словари.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Естествознание в контексте человеческой культуры

2. Основные этапы развития естествознания

3. Концепция детерминизма в классическом естествознании

4. Корпускулярные и континуальные подходы в естествознании

5. Развитие представлений о пространстве и времени в естествознании........... 6. Статистические закономерности в природе

7. Неклассические концепции в науке о микромире

8. Эволюционные процессы в мегамире

9. Фундаментальные свойства живой материи

10. Биосоциальная природа человека

11. Самоорганизация в живой и неживой природе

Заключение

Основные вопросы к зачету по курсу

Вариант компьютерного тестирования

Основная литература по курсу

КОНЦЕПЦИИ

СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

для студентов заочного отделения Подписано в печать 29.09.09. Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 2,4. Тираж 400 экз. Заказ 542. РТП изд-ва СПбГУЭФ.

Издательство СПбГУЭФ. 191023, Санкт-Петербург, Садовая ул., д. 21.