КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ1.2ПИ - Межвузовский информационно-образовательный портал

Межвузовский Информационно-Образовательный Портал

Demo
Demo

Концепции современного естествознания
Назад на образовательную программу


МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ - МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Разделы

Список Литературы

  1. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания : учебник / М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. - М. : Дашков и Ко, 2012. - 540 с. - читать в библиотеке
  2. Концепции современного естествознания : учебное пособие для студентов вузов / В.П. Романов. - 4-e изд., испр. и доп. - М. : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2011. - 286 с. - читать в библиотеке

Ваш библиотекарь

Анатолий Вассерман

Внимание!

Для входа в Электронную Библиотеку Вам нужно получить Логин и Пароль.
Для получения Логина и Пароля ВАМ нужно обратиться в деканат Вашего института
или заполнить форму для получения:

Форма заявки






Форма контроля

  • ЭССЕ

    Темы для ЭССЕ
    "Концепции современного естествознания"
    - в данной дисциплине ЭССЕ сдавать не нужно!
  • ТЕСТ

    Бланки тестов
  • РЕФЕРАТ

    Темы для рефератов
    "Концепции современного естествознания"
    - в данной дисциплине РЕФЕРАТ писать не нужно!

Форма отправки результатов (ТЕСТ, РЕФЕРАТ)




  • captcha



ВАШ Куратор

priemzao@inyaz-mil.ru

(495) 632-00-78




Содержание разделов печать раздела -    

Естествознание в контексте человеческой культуры.
верх

  • Научное познание и роль науки в обществе.
  • Естественнонаучные и гуманитарные науки.
  • Структура естествознания.
  • Эмпирический и теоретический уровни в естествознании.
Лекция №1-2

Наука сегодня представляет собой чрезвычайно сложное явление:
  1. Взаимоотношение между наукой и обществом находят свое выражение в превращении науки в особый социальный институт, то есть исторически вырабатывается относительно устойчивая форма организации научной деятельностью, складываются определенные традиции, ценностные ориентации, нормы поведения людей занимающихся научной деятельностью. Из общей массы населения выделяются люди, занимающиеся профессиональной научной деятельностью, складываются научные организации, издаются научные журналы и т.д., то есть закрепляется, укореняется своеобразная научная деятельность, соблюдается единство и преемственность в ее развитии.
  2. Институализация, превращение науки в социальный институт означает и признание обществом права науки на существование, и установление социального контроля над представителями науки, их деятельностью. Различные звенья науки выполняют свои функции.
  3. Наука, в целом, является средством, с помощью которого человечество теоретически обосновывает развитие своей практической деятельности. Различают: фундаментальные исследования – они ориентированы на получение теоретических основ будущих практических рекомендаций; прикладные – формируют программы деятельности общие для более или менее широкой области исследования; разработки – нацелены на создание конкретных технологических алгоритмов, решение конкретных технических задач (как можем что-либо получить).
  4. Наука – форма общественного сознания, выражающая социальный и внутренний мир человека в понятиях, законах теориях. Разрабатывает особое, рационально-логическое видение мира.
  5. Наука выступает как отрасль духовного производства, результатом которого является объективно-истинное знание о мире, человеке, обществе, представленное в научных формах знания (гипотезах, проблемах, теориях).
  6. Наука выступает как непосредственная производительная сила общества, что означает большое влияние науки на развитие материального производства, без наукоемких технологий невозможно современное производство.
Возникновение науки – было исторически необходимо, как средства решения сложных познавательных ситуаций, и как средства преобразования природных и социальных явлений на основе познания их сущности. Т.о, наука – это особый, рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке и математическом доказательстве.

Основополагающие характеристики научного знания выделил англ. социолог Мерстон:

  • универсализм – истинность научных дстижений и утверждений должна оцениваться не зависимо от пола, возраста, расы, авторитетов, титулов и званий ученых;
  • общность – научное знание должно свободно становиться общим достоянием;
  • бескорыстность – первый стимул ученого – поиск истины, свободный от личных выгод. Признание и вознаграждение должны рассматриваться как возможные следствия научных достижений;
  • организованный скептицизм – каждый ученый несет ответственность за оценку доброкачественности того, что сделано его коллегами, и за то, что сделал сам, за то чтобы эта оценка стала достоянием гласности.
Сообщество ученых заинтересовано в сохранении климата доверия, поскольку без него было бы невозможно дальнейшее развитие научных знаний, прогресса науки.

К специфическим чертам науки относятся (В.Степин):

  • общезначимость – полученные знания могут использоваться всеми людьми, ее язык однозначен;
  • истинность и достоверность – научными являются только те выводы, которые подтверждаются на практике, при помощи известных научных методов;
  • рациональность – наука получает знание на основе рациональных процедур и законов логики;
  • фрагментарность – изучает конкретные фрагменты бытия, а не мир в целом;
  • незавершенность – знание постоянно растет, но одновременно изменяется и мир;
  • критичность – наука всегда готова поставить под сомнение свои теории, пересмотреть их.
Отношение общества к науке проявляется в идеологии сциентизма и антисциентизма. Сциентизм – мировоззренческая установка, означающая безграничную веру в науку как единственную социальную силу способную спасти мир. Антисциентизм – направление, представители которого считают, что наука несет только беды человечеству.

Структура науки:

  1. Естествознание – знания о природе. Естествознание включает знание о веществе, его строении, о движении и взаимодействии веществ, о химических элементах и соединениях, о живой природе, о Земле и Космосе. Различают физические, химические, биологические, геологические, космологические знания.
  2. Обществознание – его предметом являются общественные явления и системы, структуры, состояния, процессы.
  3. Человекознание – научные знания о человеке и его мышлении.

Основные функции науки:

  • описательная – выявление существенных свойств и отношений действительности;
  • систематизирующая – отнесение описанного к классам и разделам;
  • объяснительная – систематическое изучение сущности изучаемого объекта, причин его возникновения и развития;
  • производственно-практическая – возможность применения научных знаний в производстве, для регуляции общественной жизни,
  • прогностическая – предсказание новых открытий в рамках существующих теорий, рекомендации на будущее;
  • мировоззренческая – внесение полученных знаний в существующую картину мира, рационализация отношений человека к действительности.

Научное познание, его специфика.

Научное познание – высокоспециализированный труд по получению объективно-истинных знаний о природе, обществе, человеке. Структура научного познания: Субъект познания – познавательная деятельность – объект познания Объект познания – фрагмент бытия, подвергаемый изучению. Предмет познания – то на что направлена ищущая мысль исследователя, связи, свойства объекта исследования. Субъект познания – человек познающий. Специфика научного познания, его отличие от знаний, полученных в сфере обыденной, религиозной и т.д.:
  • систематизированность научных знаний;
  • специфические способы обоснования истинности научного знания (экспериментальный контроль за полученными знаниями, логическая непротиворечивость, выводимость одних знаний из других);
  • ориентация на объективную истину как высшую ценность;
  • осознание метода, посредством которого исследуется объект;
  • специфические методы исследования;
  • особый язык науки;
  • особая подготовка познающего.

Основные характеристики естественнонаучного познания:

  • в основе естественнонаучного познания лежат причинно-следственные связи;
  • истинность естественнонаучных знаний подтверждается экспериментом, опытом;
  • любое естественнонаучное знание относительно, то есть истинно при конкретных условиях, для конкретной области исследования.

Эти положения соответствуют трем стадиям естественнонаучного познания:

  1. На первой стадии естественнонаучного познания устанавливаются причинно-следственные связи в соотвествии с принципом причинности. Первое определение причинности содержится в высказывании Демокрита (460 – 371 до н.э.). «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости».
  2. В современном понимании принцип причинности означает связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов, а также изменения их свойств во времени имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития. Основания изменений называются причинами, а вызываемые основаниями изменения следствиями.
  3. Вторая стадия познания заключается в проведении экспериментов, на основе которых подтверждается или отвергается истинность знания. Естественнонаучные истины – это объективное содержание результатов эксперимента и опыта. Критерием естественнонаучной истины – эксперимент, опыт, практическая деятельность.
  4. Определение границ соответствия называемых иногда интервалами адекватности знания. Так, для классической механики они следующие: ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Квантовая механика описывает явления микромира, релятивистская – мир больших скоростей и масс тяготения.Любые естественнонаучные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, эксперименты) ограничены и относительны, то есть действуют в определенных интервалах, в конкретных условиях. Измерений абсолютно точных не бывает, задача установления интервала точности. Развитие естествознания – это последовательное приближение к абсолютной естественнонаучной истине.

Принцип соответствия (Н.Бор, 1923 г.):

Теории, справедливость которых была установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новой теории. Закон науки – есть проявление объективных, существенных, необходимых, повторяющихся взаимосвязей бытия. Динамический закон – это закон управляющий поведением индивидуального объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний (классическая механика, космология и др.). Динамический закон описывает возможность, которая с необходимостью должна реализоваться. Статистический закон – это закон управляющий поведением больших совокупностей и в отношении индивидуального объекта позволяющий делать лишь вероятностные, неоднозначные заключения о его поведении. (Квантовая механика, генетика и др.). В вероятностно-статистических законах, в отличие от динамических, необходимость выступает в явной неразрывной связи со случайностью.

История естествознания.
верх

  • Основные периоды развития естественнонаучных знаний.
  • Возникновение рационального мышления.
  • Формирование научного метода.
  • Классический и неклассический периоды естествознания.
Лекции 3-4.

Этапы развития технического знания.

В развитии технического знания можно условно выделить несколько этапов, каждый из которых отличается от другого различной степенью участия в производственном процессе технических средств труда и человека:

  1. Эмпирический этап. На этом этапе техническое знание предстает преимущественно как накопление, описание и систематизация конкретного материала, включенного в процесс практической деятельности человека. Для данного этапа характерно использование человеком в процессе труда сначала простых, а затем и более сложных орудий труда, имеющихся в готовом виде в окружающей природе с постепенным переходом к созданию орудий труда уже руками человека. Все орудия приводились в действие или мускульной силой человека или же посредством стихийных сил природы: воды, ветра и т.п. Технические средства на этом этапе выполняли исключительно функции исполнительного механизма.
  2. Абстрактно-познавательный этап. Появляется возможность объяснения и обобщения явлений, проникновение в сущность природных процессов, раскрытия их закономерностей. На этом этапе ручной труд с использованием отдельных орудий (мануфактура, ремесло) уступает место системе орудий - машине. Происходит становление машинного производства. При этом машина представляет собой не простое количественное суммирование отдельных орудий труда, а является целостной системой технических средств, имеющей соответствующую внутреннюю структурную организацию и направленной на достижение определенной функциональной цели. Появляются не только машины - орудия, с помощью которых происходит изменение форм, размеров и других характеристик обрабатываемого предмета, но и машины - двигатели, способные преобразовать один вид энергии в другой. Вместо одного - исполнительного - механизма у простых орудий, машина включает в себя уже три различных механизма: двигательный, передаточный и исполнительный. С развитием машинной техники технологическая деятельность начинает приобретать черты производственного процесса, основанного на сознательном использовании законов природы. Таким образом, техническое знание уже не только объясняет те или иные явления, но и решает задачи преобразования окружающего материального мира.
  3. Современный, высший этап развития. На данном этапе машина уступает место системе машин. Возникает техническая система, в которой появляется новый механизм - механизм контроля и управления производственным процессом. Одной из важнейших закономерностей развития технического знания на этом этапе предстает тенденция к синтезу больших технических систем. Этот процесс в перспективе должен привести к фактическому слиянию технических систем в сверхбольшие системы, состоящие из следующих необходимых компонентов: единой автоматизированной сети связи; системы вычислительного центра и электронных управляющих и других машин; автоматизированных систем управления различных уровней; системы научного и технического сбора информации; различных банков и хранилищ информации; система вещания и т.д. Техническое знание приобретает возможность не только участвовать в решении задач технологической деятельности, но приобретает также способность предвидеть характер его развития, а также оптимизировать социально-практическую деятельность человека. Переход от простых орудий к машинам и далее к техническим системам является результатом глубоких качественных изменений, подлинно революционных преобразований в структуре технического знания. По мере развития технического знания (а, следовательно, и технических средств труда) все больше функций человека труда в производственном процессе передается техническим средствам. Основное содержание технического знания составляют понятия, законы, теории, которые отражают процесс изменения формы и свойств природных материальных образований в результате их превращения в технические средства труда, приобретения ими в ходе технической деятельности социальной функции. Таким образом, в техническом знании находит свое отражение процесс превращения природного в социальное.
  4. Факторы эволюции технического знания.Необходимо выяснить факторы эволюции технического знания. Накопленные эмпирическим путем технические знания по своему характеру можно условно разделить на группы, которые дали в последующем начало различным областям знания.

Например, оперирование первыми орудиями труда в процессе технологической деятельности послужило предпосылкой в изучении таких простых механических процессов, как равномерное и ускоренное движение, вращение, полет, падение и т.д., вследствие чего появились зачатки простейшей, а затем и сложной механики. Разнообразие форм использования огня в практической деятельности человека обусловили формирование химических знаний и их применение. Элементарные механические действия с орудиями труда, предполагающие своей целью придание им необходимых для практических действий форм, (например, обивка камней), а также примитивные действия с помощью огня (сжигание вещества природы, кипячение воды, выплавка руды и. т.п.), способствующие выявлению тех или иных важных для практики физических свойств вещества природы, послужили основой для становления физических знаний человека. Поэтому возникшая в ходе истории необходимость передачи накопленного опыта, практических навыков и имеющихся результатов, явилась весьма существенной предпосылкой для формирования технического знания. Поскольку техническое знание представляло собой сферу деятельности человека по накоплению знания направленного на разрешение объективно существующего противоречия между человеком и техническими процессами, то можно утверждать, что второй, не менее важной предпосылкой, задающей внутренний стимул процессу эволюции технического знания, явилось стремление к упорядочению, систематизации и разрешению этого противоречия, возникающего в результате физической ограниченности естественных органов человека. С этой точки зрения, этапы эволюции технического знания, а следовательно, и технических средств труда, технологических процессов представляются последовательной сменой периодов в процессе разрешения этого противоречия. Существуют также социальные факторы эволюции технического знания. Как уже неоднократно отмечалось в данной работе, техническое знание в своем развитии, несмотря на относительную самостоятельность, во многом зависит от влияния внешних, внесистемных по отношению к данному объекту, факторов. Эти факторы, в зависимости от типа воздействия, можно подразделить на прямые и опосредствованные. К последним относятся социально-экономические факторы (социальный заказ, национально-культурные характеристики, текущая политическая коньюктура, и т.д.). Они, как правило, оказывают решающее влияние на формирование целей и задач в научно-технической деятельности направленность и масштаб технических изменений. Совокупность этих факторов в целом и образует социально-экономические регулятивы развития технического знания. Недооценка роли социально-экономических регулятивов процесса формирования и развития технического знания может привести к неверному истолкованию статуса научно-технического знания, искажению его места и роли в научно-техническом прогрессе. Существуют естественнонаучные факторы эволюции технического знания. С начала формирования научного технического знания, естествознание как форма познавательной активности человека, в той или иной степени, выступала в качестве основы развития технических средств производства. При исследовании закономерностей создания и функционирования технических средств и методов с необходимостью применяются наличные достижения естественнонаучного знания. Создание любого вида технических средств предусматривает учет имеющихся в наличии законов природы, поэтому в ходе исследования закономерностей создания и функционирования технических средств и систем необходимо восходить к существующим достижениям естествознания, как к своеобразной аксиоматической основе технической деятельности на данном этапе. Раскрытие специфики природных законов, особенностей протекания процессов и явлений в рамках естественнонаучного знания, формирование фундаментальных теоретических представлений о природной действительности выступает предпосылкой развития технического знания, всей практической преобразующей деятельности человека.

Традиционно выделяют следующие функции естественнонаучного знания по отношению к техническому знанию:

  • Исследование процессов, природных, технологических, имеющих место в ходе технологической деятельности, позволяющее получить их фундаментальное описание посредством закона, определяющего данный процесс - оно представляет собой центральное звено любой технической теории.
  • Исследование субстратов (материалов). Проявляемые в процессе производства технические характеристики материала, техническое знание может объяснить лишь исходя из его природных, естественных характеристик, устанавливаемых естествознанием.

С помощью естественнонаучного знания формируются принципы функционирования технических систем и строится идеализация лежащих в ее основе естественных процессов. Техническое знание не только применяет естественнонаучные знания о конкретных законах природы и методах исследования свойств и связей природных объектов и явлений, используемых в качестве технических объектов. В техническое знание из естественнонаучного транслируются также всеобщие принципы (например: принципы сохранения, симметрии, необратимости и т.д.). Кроме непосредственно теоретического знания, на техническое знание переносятся сами методы познания, применяемые в естествознании. В рамках технических наук разработана определенная совокупность методов и средств познания, которые могут применяться в технических науках для достижения практических результатов в самых различных сферах. Именно воздействие естественнонаучного знания предопределило наиболее существенные изменения в техническом знании в нашем веке, а именно : отказ от традиционных форм эмпирического поиска рационального решения тех технических задач, которые были актуальны на соответствующем этапе эволюции технического знания; появление принципиально новых достижений и технических средств. Влияние естествознания на развитие научно-технического знания подтверждается многочисленными примерами новых технических средств и технологических процессов. Существенно изменялись качественные и количественные характеристики, которые характеризуют общий технический прогресс. При разработке новых технических устройств, систем, принципов и технологий существенное место занимают естественные (природные) связи и свойства технических объектов, естественные характеристики их взаимодействия с другими объектами, законы, проявляющиеся в их функционировании и работоспособность. Итак, в период перехода от ручных орудий труда к машине техническое знание достигает соответствующего уровня, обеспечивающего ему соответствующий технологический базис в сфере технологической деятельности. Этот промежуточный статус технологического процесса между человеком и природной средой дает определенные возможности совершенствования этого процесса посредством применения многочисленных технических средств и целенаправленного использования накопленного арсенала теоретических знаний и опыта. Если ранее применение орудий труда на практике опиралось на опыт накопленного эмпирического (практического) знания, то использование машин предстает конкретным технологическим воплощением определенных теоретических (технических) знаний. Специфика этого процесса обусловлена самой внутренней логикой эволюции технического знания: этап накопления и эмпирических поисков необходимо сменяется периодом обобщения и теоретических разработок. Таким образом, техническое знание постепенно превращается в важнейший фактор процесса технологической деятельности, определяя сущность нового этапа в его саморазвитии. В целом, в эволюции технического знания можно выделить периоды эволюционного и революционного характера.

Первый - эволюционный - период можно охарактеризовать как период постепенного накопления фактического материала и попыток его объяснения на основе существующих теоретических концепций. Период революционного скачка, подготавливаемый предшествующим ему эволюционным периодом, представляет собой начало качественно новой (а, следовательно, и завершение старой) эпохи в развитии технического знания. Часть наших затруднений в понимании глубокого различия, существующего между наукой и техникой, связана с тем, что и науке и технике одинаково свойственен прогресс. Качественно новый фактический материал, не укладывающийся в рамки устаревших теоретических воззрений, способствует появлению новых теоретических концепций, порой осуществляющих настоящий переворот, осмысление предшествующего периода развития техники. По истечении революционного периода в развитии структуры технического знания, вновь начинается прогрессивное эволюционное развитие, направленное на более эффективную реализацию открывающихся возможностей технического освоения действительности.

Заключение

Итак, обилие новых направлений в технике и инженерии, важность их разработки вызывают в последние годы интерес к теоретико-методологическим и философским вопросам технического знания со стороны широкого круга специалистов: инженеров, историков науки, биологов, психологов, философов. Широкий круг ученых признает: уровень развития общества напрямую зависит от уровня развития науки и техники. Однако долгое время наука и техника развивались параллельно, процесс их осмысления не был сведен воедино. Это происходило потому, что технический прогресс в традиционном обществе сводился к простому подражанию деятельности, воспроизведению традиционных стереотипов поведения. Технический прогресс развивался не эволюционно, а революционно: например, изобретение книгопечатного станка положило начало новой информационной эпохе. Постепенно формировалось новое мышление. Однако до того момента, пока наука и технический прогресс стали представлять собой единое целое, прошло очень много времени. Наука шла своим путем. Накопление знаний, фактов о действительности, желание их переосмыслить, упорядочить, придать им значимость, ранжировать положило начало выделению отдельных областей знаний. И только в начале ХVII века начинается процесс совместного сосуществования науки и техники: начинают осознаваться первые устойчивые логические связи между уровнем технического прогресса и достижениями в других научных областях. Эти закономерности крепнут во времени, и с XIX века набирает обороты явление, которое мы сегодня называем емким термином "научно-технический прогресс". В ХХ веке отрицать связь науки и техники не просто бесполезно, но и бессмысленно. Действительность уверенно демонстрирует: достижения в техническом оснащении передовых отраслей науки открывает широкие возможности как для эмпирических, так и теоретических изысканий. Хорошим примером такого процесса может служить запуск на орбиту Земли мощных телескопов (типа "Хаббл"). Это позволило уловить реликтовые излучения из центра галактики, произвести необходимые расчеты и сделать убедительный вывод, что в центре галактики находится мощная черная дыра, обладающая достаточной гравитационной силой для удержания на орбитах массивных звезд. Это доказывает, что технические знания позволили сделать теоретические открытия: черную дыру "увидеть" нельзя, ее наличие можно просчитать только теоретические, что и помогают сделать высокотехнологичные устройства.

Таким образом, инновационные процессы в области развития техники определяют сегодня и направление гуманитарной мысли. Идет и обратный процесс: гуманитарные знания "подсказывают", в каком направлении будет в ближайшее время идти технологический прогресс. Об этой взаимосвязи постоянно говорит знаменитый ученый современности - один из наиболее влиятельных и известных широкой общественности физиков-теоретиков и космологов нашего времени физик-ядерщик Стивен Хокинг. Он утверждает, что именно ХХ век должен показать тесную связь между техническим прогрессом и общественными науками, которые будут призвании "перевести" на доступный язык основные открытия и так "двинуть" человечество на новый уровень развития.

Механический детерминизм.
верх

  • Механика Ньютона и детерминизм Лапласа.
  • Законы сохранения.
Лекции 5-6.

Понятие «физика» уходит своими корнями в глубокое прошлое, в переводе с греческого оно означает «природа». Основной задачей этой науки является установление «законов» окружающего мира. Одно из основных сочинений Платона, ученика Аристотеля, называлось «Физика». Наука тех лет имела натурфилософский характер, т.е. исходила из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной. Эта система верно отражала некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру. Таким образом, это учение было собственно о Земле. На уровне своего времени оно отвечало основным требованиям, которые предъявлялись к научному знанию. Такая система просуществовала вплоть до XVI столетия, до появления учения Коперника, получившее свое дальнейшее обоснование в экспериментальной физике Галилея, завершившееся созданием ньютоновской механики, объединившей едиными законами движения перемещение небесных тел и земных объектов. Оно явилось величайшей революцией в естествознании, положившей начало развитию науки в ее современном понимании. Галилео Галилей считал, что мир бесконечен, а материя вечна. Во всех процессах ничто не уничтожается и не порождается – происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение – единственное, универсальное механическое перемещение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются единым законам механики. Для Ньютона было важно однозначно выяснить с помощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого объекта и строить теорию на основе индукции без использования гипотез. Он исходил из того, что в физике как экспериментальной науке нет места для гипотез. Признавая не безупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих наиболее предпочтительным. И в эпоху античности, и в XVII веке признавалась важность изучения движения небесных светил. Но если для древних греков данная проблема имела больше философское значение, то для XVII века, преобладающим был аспект практический. Развитие мореплавания обусловливало необходимость выработки более точных астрономических таблиц для целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для астрологических целей. Основной задачей было определение долготы, столь нужной астрономам и мореплавателям. Для решения этой важной практической проблемы и создавались первые государственные обсерватории (в 1672 г. Парижская, в 1675 г. Гринвичская). По сути своей это была задача определения абсолютного времени, дававшего при сравнении с местным временем интервал времени, который и можно было перевести в долготу. Определить это время можно было с помощью наблюдения движений Луны среди звезд, а также с помощью точных часов, поставленных по абсолютному времени и находящихся у наблюдателя. Для первого случая были необходимы очень точные таблицы для предсказания положения небесных светил, а для второго – абсолютно точные и надежные часовые механизмы. Работы в этих направлениях не были успешными. Найти решение удалось лишь Ньютону, который, благодаря открытию закона всемирного тяготения и трех основных законов механики, а также дифференциального и интегрального исчисления, предал механике характер цельной научной теории.

Механика Ньютона.

Вершиной научного творчества И. Ньютона является его бессмертный труд “Математические начала натуральной философии”, впервые опубликованный в 1687 году. В нем он обобщил результаты, полученные его предшественниками и свои собственные исследования и создал впервые единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий – количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, он исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность понимал как степень заполнения единицы объема тела первичной материей. На основе учение Ньютона о всемирном тяготении он разработал теорию движения планет, спутников и комет, образующих солнечную систему. Опираясь на этот закон, он объяснил явление приливов и сжатие Юпитера. Концепция Ньютона явилась основой для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте сформировались многие методы научных исследований в различных областях естествознания.

Законы движения Ньютона.

Если кинематика изучает движение геометрического тела, который не обладает никакими свойствами материального тела, кроме свойства занимать определенное место в пространстве и изменять это положение с течением времени, то динамика изучает движение реальных тел под действием приложенных к ним сил. Установленные Ньютоном три закона механики лежат в основе динамики и составляют основной раздел классической механики. Непосредственно их можно применять к простейшему случаю движения, когда движущееся тело рассматривается как материальная точка, т.е. когда размер и форма тела не учитывается и когда движение тела рассматривается как движение точки, обладающей массой. Для описания движения точки можно выбрать любую систему координат, относительно которой определяются характеризующие это движение величины. За тело отсчета может быть принято любое тело, движущееся относительно других тел. В динамике имеют дело с инерциальными системами координат, характеризуемыми тем, что относительно них свободная материальная точка движется с постоянной скоростью.

Первый закон Ньютона.

Закон инерции впервые был установлен Галилеем для случая горизонтального движения: когда тело движется по горизонтальной плоскости, то его движение является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Ньютон дал более общую формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. В жизни этот закон описывает случай когда, если перестать тянуть или толкать движущееся тело, то оно останавливается, а не продолжает двигаться с постоянной скоростью. Так автомобиль с выключенным двигателем останавливается. По закону Ньютона на катящийся по инерции автомобиль должна действовать тормозящая сила, которой на практике является сопротивление воздуха и трение автомобильных шин о поверхность шоссе. Они-то и сообщают автомобилю отрицательное ускорение до тех пор, пока он не остановиться. Недостатком данной формулировки закона является то, что в ней не содержалось указания на необходимость отнесения движения к инерциальной системе координат. Дело в том, что Ньютон не пользовался понятием инерциальной системы координат, – вместо этого он вводил понятие абсолютного пространства – однородного и неподвижного, – с которым и связывал некую абсолютную систему координат, относительно которой и определялась скорость тела. Когда бессодержательность абсолютного пространства как абсолютной системы отсчета была выявлена, закон инерции стал формулироваться иначе: относительно инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Второй закон Ньютона.

В формулировке второго закона Ньютон ввел понятия: Ускорение (формула_40) – векторная величина (Ньютон называл его количеством движения и учитывал при формулировании правила параллелограмма скоростей), определяющая быстроту изменения скорости движения тела. Сила (F) – векторная величина, понимаемая как мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате воздействия которой тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры. Масса тела (m)– физическая величина – одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Второй закон механики гласит: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. Такова его современная формулировка. Ньютон сформулировал его иначе: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует, и обратно пропорционально массе тела или математически:

формула_41

На опыте этот закон легко подтвердить, если к концу пружины прикрепить тележку и отпустить пружину, то за время t тележка пройдет путь s¹ (рис. 1), затем к той же самой пружине прикрепить две тележки, т.е. увеличить массу тела в два раза, и отпустить пружину, то за то же время t они пройдут путь s², в два раза меньший, чем s¹. Этот закон также справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон с математической точки зрения представляет собой частный случай второго закона, потому что, если равнодействующие силы равны нулю, то и ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, т.к. именно он утверждает о существовании инерциальных систем.

Третий закон Ньютона.

Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению или математически:

формула_42

Ньютон распространил действие этого закона на случай и столкновения тел, и на случай их взаимного притяжения. Простейшей демонстрацией этого закона может служить тело, расположенное на горизонтальной плоскости, на которое действуют сила тяжести формула_43 и сила реакции опоры формула_44, лежащие на одной прямой, равные по значению и противоположно направленные, равенство этих сил позволяет телу находиться в состоянии покоя. Из трех фундаментальных законов движения Ньютона вытекают следствия, одно из которых – сложение количества движения по правилу параллелограмма. Ускорение тела зависит от величин, характеризующих действие других тел на данное тело, а также от величин, определяющих особенности этого тела. Механическое действие на тело со стороны других тел, которое изменяет скорость движения данного тела, называют силой. Она может иметь разную природу (сила тяжести, сила упругости и т.д.). Изменение скорости движения тела зависит не от природы сил, а от их величины. Поскольку скорость и сила – векторы, то действие нескольких сил складывается по правилу параллелограмма. Свойство тела, от которого зависит приобретаемое им ускорение, есть инерция, измеряемая массой. В классической механике, имеющей дело со скоростями, значительно меньшими скорости света, масса является характеристикой самого тела, не зависящей от того, движется оно или нет. Масса тела в классической механике не зависит и от взаимодействия тела с другими телами. Это свойство массы побудило Ньютона принять массу за меру материи и считать, что величина ее определяет количество материи в теле. Таким образом, масса стала пониматься как количество материи. Количество материи доступно измерению, будучи пропорциональным весу тела. Вес – это сила, с которой тело действует на опору, препятствующую его свободному падению. Числено вес равен произведению массы тела на ускорение силы тяжести. Вследствие сжатия Земли и ее суточного вращения вес тела изменяется с широтой и на экваторе на 0,5% меньше, чем на полюсах. Поскольку масса и вес строго пропорциональны, оказалось возможным практическое измерение массы или количества материи. Понимание того, что вес является переменным воздействием на тело, побудило Ньютона установить и внутреннюю характеристику тела – инерцию, которую он рассматривал как присущую телу способность сохранять равномерное прямолинейное движение, пропорциональную массе. Массу как меру инерции можно измерять с помощью весов, как это делал Ньютон. В состоянии невесомости массу можно измерять по инерции. Измерение по инерции является общим способом измерения массы. Но инерция и вес являются различными физическими понятиями. Их пропорциональность друг другу весьма удобна в практическом отношении – для измерения массы с помощью весов. Таким образом, установление понятий силы и массы, а также способа их измерения позволило Ньютону сформулировать второй закон механики. Первый и второй законы механики относятся соответственно к движению материальной точки или одного тела. При этом учитывается лишь действие других тел на данное тело. Однако всякое действие есть взаимодействие. Поскольку в механике действие характеризуется силой, то если одно тело действует на другое с определенной силой, то второе действует на первое с той же силой, что и фиксирует третий закон механики. В формулировке Ньютона третий закон механики справедлив лишь для случая непосредственного взаимодействия сил или при мгновенной передаче действия одного тела на другое. В случае передачи действия за конечный промежуток времени данный закон применяется тогда, когда временем передачи действия можно пренебречь.

Закон всемирного тяготения.

Считается, что стержнем динамики Ньютона является понятие силы, а основная задача динамики заключается в установлении закона из данного движения и, наоборот, в определении закона движения тел по данной силе. Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет от Солнца. Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Борелли, Гуком, Ньютон придал им точную форму математического закона, в соответствии с которым утверждалось существование в природе силы всемирного тяготения, обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения прямо пропорциональна произведению масс тяготеющих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними или математически: формула_45, где G – гравитационная постоянная. Данный закон описывает взаимодействие любых тел – важно лишь то, чтобы расстояние между телами было достаточно велико по сравнению с их размерами, это позволяет принимать тела за материальные точки. В ньютоновской теории тяготения принимается, что сила тяготения передается от одного тяготеющего тела к другому мгновенно, при чем без посредства каких бы то ни было сред. Закон всемирного тяготения вызвал продолжительные и яростные дискуссии. Это не было случайно, поскольку этот закон имел важное философское значение. Суть заключалась в том, что до Ньютона целью создания физических теорий было выявление и представление механизма физических явлений во всех его деталях. В тех случаях, когда это сделать не удавалось, выдвигался аргумент о так называемых "скрытых качествах", которые не поддаются детальной интерпретации. Бэкон и Декарт ссылки на "скрытые качества" объявили ненаучными. Декарт считал, что понять суть явления природы можно лишь в том случае, если его наглядно представить себе. Так, явления тяготения он представлял с помощью эфирных вихрей. В условиях широкого распространения подобных представлений закон всемирного тяготения Ньютона, несмотря на то, что демонстрировал соответствие произведенных на его основе астрономическим наблюдениям с небывалой ранее точностью, подвергался сомнению на том основании, что взаимное притяжение тел очень напоминало перипатетическое учение о "скрытых качествах". И хотя Ньютон установил факт его существования на основе математического анализа и экспериментальных данных, математический анализ еще не вошел прочно в сознание исследователей в качестве достаточно надежного метода. Но стремление ограничивать физическое исследование фактами, не претендующими на абсолютную истину, позволило Ньютону завершить формирование физики как самостоятельной науки и отделить ее от натурфилософии с ее претензиями на абсолютное знание. В законе всемирного тяготения наука получила образец закона природы как абсолютно точного, повсюду применимого правила, без исключений, с точно определенными следствиями. Этот закон был включен Кантом в его философию, где природа представлялась царством необходимости в противоположность морали - царству свободы. Физическая концепция Ньютона была своеобразным венцом физики XVII века. Статический подход к Вселенной был заменен динамическим. Эксперементально-математический метод исследования, позволив решить многие проблемы физики XVII века, оказался пригодным для решения физических проблем еще в течение двух веков.

Основная задача механики.

Результатом развития классической механики явилось создание единой механической картины мира, в рамках которой все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющемся законам ньютоновской механики. Согласно механической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий. Механика Ньютона, в отличие от предшествующих механических концепций, давала возможность решать задачу о любой стадии движения, как предшествующей, так и последующей, и в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных основных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как, независимо от вызывающих их факторов. Например, можно вычислить скорость спутника Земли: Для простоты найдем скорость спутника υсп с орбитой, равной радиусу Земли (рис. 3). С достаточной точностью можно приравнять ускорение спутника ускорению свободного падения на поверхности Земли: формула_46 С другой стороны центростремительное ускорение спутника формула_47. Поэтому формула_48, откуда формула_497,9км/с. – Эта скорость называется первой космической скоростью. Тело любой массы, которому будет сообщена такая скорость, станет спутником Земли. Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль. Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического, Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял осторожность в механических истолкованиях природных явлений, все равно считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере решения которых механическая картина мира укреплялась.

Границы применимости.

Вследствие развития физики в начале XX века определилась область применения классической механики: ее законы выполняются для движений, скорость которых много меньше скорости света. Было установлено, что с ростом скорости масса тела возрастает. Вообще законы классической механики Ньютона справедливы для случая инерциальных систем отсчета. В случае неинерциальных систем отсчета ситуация иная. При ускоренном движении неинерциальной системы координат относительно инерциальной системы первый закон Ньютона (закон инерции) в этой системе не имеет места, – свободные тела в ней будут с течением времени менять свою скорость движения. Первое несоответствие в классической механике было выявлено, тогда когда был открыт микромир. В классической механике перемещения в пространстве и определение скорости изучались вне зависимости от того, каким образом эти перемещения реализовывались. Применительно к явлениям микромира подобная ситуация, как выявилось, невозможна принципиально. Здесь пространственно-временная локализация, лежащая в основе кинематики, возможна лишь для некоторых частных случаев, которые зависят от конкретных динамических условий движения. В макро масштабах использование кинематики вполне допустимо. Для микро масштабов, где главная роль принадлежит квантам, кинематика, изучающая движение вне зависимости от динамических условий, теряет смысл. Для масштабов микромира и второй закон Ньютона оказался несостоятельным – он справедлив лишь для явлений большого масштаба. Выявилось, что попытки измерить какую-либо величину, характеризующую изучаемую систему, влечет за собой неконтролируемое изменение других величин, характеризующих данную систему: если предпринимается попытка установить положение в пространстве и времени, то это приводит к неконтролируемому изменению соответствующей сопряженной величины, которая определяет динамическое состояние системы. Так, невозможно точно измерить в одно и то же время две взаимно сопряженные величины. Чем точнее определяется значение одной величины, характеризующей систему, тем более неопределенным оказывается значение сопряженной ей величины. Это обстоятельство повлекло за собой существенное изменение взглядов на понимание природы вещей. Несоответствие в классической механики исходило из того, что будущее в известном смысле полностью содержится в настоящем – этим и определяется возможность точного предвидения поведения системы в любой будущий момент времени. Такая возможность предлагает одновременное определение взаимно сопряженных величин. В области микромира это оказалось невозможным, что и вносит существенные изменения в понимание возможностей предвидения и взаимосвязи явлений природы: раз значение величин, характеризующих состояние системы в определенный момент времени, можно установить лишь с долей неопределенности, то исключается возможность точного предсказания значений этих величин в последующие моменты времени, т.е. можно лишь предсказать вероятность получения тех или иных величин. Другое открытие пошатнувшее устои классической механики, было создания теории поля. Классическая механика пыталась свести все явления природы к силам, действующим между частицами вещества, – на этом основывалась концепция электрических жидкостей. В рамках этой концепции реальными были лишь субстанция и ее изменения – здесь важнейшим признавалось описание действия двух электрических зарядов с помощью относящихся к ним понятий. Описание же поля между этими зарядами, а не самих зарядов было весьма существенным для понимания действия зарядов. Вот простой пример нарушения третьего закона Ньютона в таких условиях: если заряженная частица удаляется от проводника, по которому течет ток, и соответственно вокруг него создано магнитное поле, то результирующая сила, действующая со стороны заряженной частицы на проводник с током в точности равна нулю. Созданной новой реальности места в механической картине мира не было. В результате физика стала иметь дело с двумя реальностями – веществом и полем. Если классическая физика строилась на понятии вещества, то с выявлением новой реальности физическую картину мира приходилось пересматривать. Попытки объяснить электромагнитные явления с помощью эфира оказалось несостоятельными. Эфир экспериментально обнаружить не удалось. Это привело к созданию теории относительности, заставившей пересмотреть представления о пространстве и времени, характерные для классической физики. Таким образом, две концепции – теория квантов и теория относительности – стали фундаментом для новых физических концепций.

Детерминизм Лапласа

Второй закон Ньютона позволяет выразить связь состояний механической системы в виде закона динамического типа. В ньютоновском смысле причиной изменения состояния движения тела выступает внешнее воздействие на него, при этом исходное состояние тела является условием его движения. В лапла-Сивск смысле исходное состояние тела рассматривается как причина его конечного состояния, а внешнее воздействие на него является условием движения тела. При всех различиях ньютоновской толкования причины как силы, что приводит механическое движение, и лапласовского толкования причинности как связи состояний механической системы связаны друг с другом. Определение причинной обусловленности механического объекта ведет к признанию детерминированности его состояний, и наоборот, признание детерминированного состояния связано с признанием обусловленности движения объекта определенной силой. Лапласовский детерминизм (утверждение о возможности точного предсказания движения механических объектов) является признанием узнаваемости законов, отражающих связь состояний механического объекта, а следовательно, познания причинных связей, обусловливающих его движение. Лапласовский детерминизм в классической механике совпадает с математическим детерминизмом. Дифференциальные уравнения, описывающие движение механической системы, при заданных начальных условиях имеют только одно решение, с помощью которого можно определить поведение этой системы в будущем. Второй закон Ньютона выражает в опосредованной форме необходимую связь между начальным состоянием системы и ее состоянием в следующий момент времени при заданных внешних воздействиях на систему. Он выражает то, что такой исходное состояние при заданных условиях непременно детерминирует следующие состояния, которые, в свою очередь, детерминирует свой следующий состояние и т. д. Поэтому понятие необходимой связи состояний, так называемый классический детерминизм, может формулироваться так: с одной и того же начального состояния при одинаковых внешних условиях возникает один и тот же ряд состояний системы. Необходимую связь состояний системы Лаплас отождествлял с причинной связью, считая, что современное состояние Вселенной является следствием его предыдущих состояний и причиной последующих. Состояние мира в определенный момент, по его мнению, определяет состояние мира в любой другой последующий момент времени. Он считал, что понятие необходимой связи состояний можно применять не только к Вселенной в целом, но и к конечных систем. Каждое явление в природе - необходимое следствие ее законов. Случайные причины, по Лапласом, - мнимые, что на самом деле не существуют, они отбрасываются в процессе расширения границ человеческого знания. Признание объективной связи состояний природных процессов является большой заслугой лапласовского детерминизма. Однако нельзя согласиться с его взглядом на случайное как на такое, причину чего мы не знаем. Категория случайности в Лапласа превращается в чисто субъективную категорию. Лаплас признает, что причинные связи узнавании, и отмечает, что наше знание этих связей все больше расширяется и углубляется, приближаясь к полному и исчерпывающего знания. «Разум, - писал он, - который для какого-то определенного момента времени знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он к тому же был достаточно велик, чтобы подвергнуть эти данные анализу, охватил бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной и малейшего атома, для него не было бы ничего непонятного и будущее, так же как и прошедшее, стало бы перед его взором »*. Иначе говоря, если бы демон Лапласа (прообраз всеобъемлющего разума) был в состоянии фиксировать в любой момент положения и скорости всех атомов Вселенной, все силы, действующие на них, если бы для него не существовало никаких математических проблем и чтобы он мог мгновенно делать сложные расчеты, то он мог бы, по Лапласом, дать сведения о всю прошлую и будущую судьбу мира, предусмотреть все события. В этом заключается суть лапласовского детерминизма. Механизм лапласовского детерминизма исходит из того, что связь состояний любых объектов может быть описан с помощью понятий и законов классической механики. Мир, за Лапласом, является совокупностью материальных точек, меняющих свое состояние под действием механических сил, описывая при этом определенные траектории. Корни ограниченности Лапласа-ской концепции причинности заключаются в универсализации механической картины мира. Динамическая закономерность, формулируется в механике, отражает объективные, причинные связи физических процессов. Однако причинность в динамической закономерности односторонняя. В законах классической механики причинность выступает как однозначная неизбежность. Причинность, которая является одной из форм связи, односторонне отражает всеобщую связь и взаимообусловленность объектов. Однако она отражает также внутри присущую свойство движущейся материи в пространстве и времени, приводит все разнообразие явлений окружающего мира, является активным началом всех его изменений. Итак, лапласовский детерминизм выражает одно из соображений закономерностей изменения физических процессов во времени, выросшее на почве классической механики. Рациональным в этом детерминизме является признание объективности и познаваемости связи состояний. Ограниченность его заключается в отрицании объективного характера случайности и в абсолютизации механической картины мира.

Зако́ны сохране́ния — фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени. Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, массы, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).
  • Закон сохранения энергии
  • Закон сохранения импульса
  • Закон сохранения момента импульса
  • Закон сохранения массы
  • Закон сохранения электрического заряда
  • Закон сохранения лептонного числа
  • Закон сохранения барионного числа
  • Закон сохранения чётности
Законы сохранения связаны с симметриями физических систем (теорема Нётер). Так, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями пространственно-временных симметрий (соответственно: однородности времени, однородности и изотропности пространства). При этом перечисленные свойства пространства и времени в аналитической механике принято понимать как инвариантность лагранжиана относительно изменения начала отсчета времени, переноса начала координат системы и вращения ее координатных осей.

...Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает. М.В. Ломоносов

Корпускулярные и континуальные концепции в естествознании.
верх

  • Дискретность и непрерывность материи в классическом естествознании.
  • Концепция эфира.
  • Концепции дальнодействия и близкодействия.

Пространство, время, относительность.
верх

  • Эволюция представлений о пространстве и времени.
  • Постулаты и следствия специальной теории относительности.
  • Основные положения и выводы общей теории относительности.
Лекции 7-8.

Пространство и время являются двумя фундаментальными категориями в современной науке для обозначения таких важных для человека эмпирически проявляющихся качеств природных объектов, как протяженность и длительность. В истории научного познания никогда не отрицали наличие представлений или понятий пространства и времени, оспаривалось лишь то, принадлежат ли пространство и время самому предметному миру или являются свойствами человека, т. е. его системы восприятия и мышления. Натурфилософия и стихийный материализм рассматривали пространство и время как объективно существующие качества внешнего мира. Такой подход нашел свое логическое завершение в физике и натурфилософии И. Ньютона. Как уже говорилось ранее, он развил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени, согласно которой пространство – это «вместилище» для всей материи, бесконечная протяженность, а время – равномерно текущая бесконечная длительность. Они не зависят от тех процессов, которые происходят внутри самой материи. Такая ньютоновская концепция пространства и времени позволила И. Канту сделать вывод о том, что они вообще принадлежат не миру человеческого опыта, а познавательным способностям людей. По Канту, пространство и время – это формы чувственного созерцания, присущие человеческому восприятию изначально. С точки зрения диалектического материализма пространство и время являются «всеобщими атрибутами и формами движения материи», т.е. они неразрывно связаны с материей. В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи или независимо от нее. Пространство – это форма существования материи, которая характеризует ее протяженность, структурность и взаимодействие всех элементов материальных систем. Время – форма бытия материи, характеризующая длительность существования объектов и процессов природы и последовательность смены их состояний. Сравнение протяженностей и длительностей различных материальных объектов и процессов служит основой для количественных мер.

Огромный вклад в формирование современных представлений о пространстве и времени внесла теория относительности Эйнштейна (специальная и общая). Специальная теория относительности (СТО) показала ошибочность представления о существовании абсолютного пространства и абсолютного времени, а общая теория относительности (ОТО) выявила, что геометрия пространства-времени – не Евклидова, как считалось до этого, а Риманова.

Теория относительности Эйнштейна о пространстве и времени.

Специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном в 1905 г. как результат обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла. Свою работу «К электродинамике движущихся сред» Эйнштейн начинает с двух предположений, которые в современной науке носят название постулатов теории относительности. Как писал сам Эйнштейн, он рассматривал эти постулаты как предпосылки для того, чтобы, «положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся сред».

Постулаты теории относительности формулируются следующим образом:
  1. принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;
  2. принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Из этих двух принципов следуют все положения теории относительности. Следствием постоянства скорости является тот факт, что понятие одновременности событий, которым пользовались в ньютоновской механике для рассуждений о времени, становится относительным, зависящим от наблюдателя. В классической механике принимается, что одновременность двух событий, разобщенных некоторым расстоянием, может быть установлена путем переноса часов из одной точки в другую, и такое движение никак не должно сказываться на их ходе. Однако проверить одинаковость показаний часов в двух разных точках можно лишь с помощью сигнала, который распространялся бы из одной точки в другую мгновенно. Но таких сигналов в природе нет. Следовательно, решить вопрос о синхронизации часов можно только путем соглашения о том, когда эти часы следует считать идущими синхронно. За основу такого определения (соглашения) Эйнштейн берет скорость света в вакууме. Пусть по часам в точке А сигнал послан в момент времени формула113 и после отражения в точке В возвратился в точку А в момент времени формула114. Тогда, по определению, часы в точке В синхронны с часами в точке А, если они идут одинаково быстро и в момент прихода светового сигнала в точку В часы, установленные в ней, показывают время формула111. Установив, что следует понимать под синхронно идущими в разных точках пространства покоящимися часами, Эйнштейн дал определение одновременности и времени. Но установленная таким образом одновременность событий в одной системе отсчета не будет таковой в другой системе, движущейся относительно первой. Таким образом, необходимо говорить о собственном времени в каждой системе отсчета. Абсолютного универсального времени не существует, а наши обыденные представления о таком времени – следствие того, что мы живем в мире малых скоростей и пользуемся при этом информационными (электромагнитными) волнами, распространяющимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Когда понятие одновременности потеряло смысл, потеряли смысл и другие понятия. Относительным стало время, так как наблюдатели расходятся в оценках времени, прошедшего между двумя одними и теми же событиями. При скорости, близкой к скорости света, время замедляется. Длина также стала относительной, т.е. зависящей от выбора системы отсчета. Например, если два космических корабля движутся относительно друг друга, то наблюдатель на каждом из кораблей будет видеть другой корабль сократившимся в направлении своего движения. При обычных скоростях такое сокращение мало. Земля, движущаяся вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, показалась бы наблюдателю, покоящемуся относительно него, сократившейся лишь на несколько сантиметров. Но изменения длины становятся значительными, когда относительные скорости очень велики. Сокращение линейных размеров тел и замедление длительности промежутков времени – следствие различных процессов измерения, которыми пользуются различные наблюдатели в разных системах отсчета. Эйнштейн писал: «Вопрос о том, реально лоренцово сокращение или нет, не имеет смысла. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом». Релятивистские эффекты изменения длины и времени экспериментально доказаны. Так, например, собственное время жизни пионов (пи-мезонов), образующихся в космических лучах в верхних слоях атмосферы, составляет формула 250 с. За это время, даже если они будут двигаться со скоростью света, пионы пройдут расстояние не более, чем 300 см. Но приборы их регистрируют, они проходят путь в 10000 раз больший (30 км). Теория относительности объясняет это тем, что время формула 250 с является естественным временем жизни частицы, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, но в системе отсчета, связанной с Землей, время его жизни намного больше. За это время пионы и проходят земную атмосферу. Итак, длина тела в движущейся системе меньше, чем в покоящейся.

По формуле:

формула 1, где формула 2 – длина тела в системе, движущейся со скоростью формула 3 относительно неподвижной системы; формула 4 – длина тела в покоящейся системе; с – скорость света в вакууме. Время же, наоборот, течет медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной. По формуле формула 5, где формула 7 – промежуток времени в движущейся системе; формула 6 – промежуток времени в покоящейся системе. Нужно отметить еще один релятивистский эффект – увеличение массы движущегося тела. По формуле формула 8 , где m – масса тела в движущейся системе отсчета; формула 9 – масса тела в неподвижной системе.

Изменение понятий о пространстве и времени приводит к изменению основных принципов кинематики. Новая кинематика, к которой пришел Эйнштейн, совпала с преобразованиями, полученными ранее Лоренцем, но Эйнштейн наполняет эти преобразования новым физическим содержанием. Преобразования Лоренца служат дополнением двух постулатов Эйнштейна. Чтобы принцип относительности выполнялся, необходимо, чтобы все законы физики были инвариантны (имели одинаковый вид) при переходе их одной инерциальной системы отсчета в другую относительно преобразований Лоренца. Это одно из первых следствий теории относительности.

Эффекты СТО обнаруживаются при скоростях, близких к световым. При скоростях, значительно меньше скорости света, формулы специальной теории относительности переходят в формулы классической механики.

Спустя одиннадцать лет после создания специальной теории относительности Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. Эта теория называется общей, так как она является обобщением, расширением специальной теории. Эйнштейн в этой теории распространяет принцип относительности на неинерциальные системы отсчета. СТО оказывается частным случаем общей теории относительности. Центральным стержнем общей теории Эйнштейна является принцип эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Тяжесть и инерция – это одно и то же. Не просто похожие явления, это – два различных слова для одного и того же явления. Физики часто выражают это другими словами: сила тяжести, действующая на тело, всегда пропорциональна инерционной массе этого тела. Эквивалентность инерционной и гравитационной масс подтверждена экспериментально. Принцип эквивалентности Эйнштейна позволяет рассматривать все движения, в том числе и ускоренные как относительные. Мы всегда можем вычислить действие сил инерции на любую физическую систему, а это дает нам возможность знать действие поля тяготения, отвлекаясь от его неоднородности. Сущность общей теории относительности иногда формулируется так: все законы природы инвариантны для любого наблюдателя. Это означает, что независимо от того, как наблюдатель движется, он может описать все законы природы одинаковыми математическими уравнениями. Из общей теории относительности следовал ряд следствий, касающихся пространства и времени. Рассмотрение пространства в классической науке связано с геометрией Евклида, которая исходила из пяти аксиом или постулатов. Одной из аксиом является знаменитое утверждение о том, что через точку на плоскости можно провести только одну прямую, параллельную данной прямой, не проходящую через эту точку. Говорят, что евклидова поверхность, на которой выполняется этот постулат, является плоской, имеет нулевую кривизну и бесконечную поверхность. Некоторые математики (Н.И. Лобачевский в России, Б. Риман в Германии) построили новые геометрии, заменив аксиому о параллельных прямых другой аксиомой. Такая геометрия называется неевклидовой. Б.Риман заменил ее аксиомой, согласно которой через точку, не лежащую на данной прямой, вообще нельзя провести ни одной параллельной прямой, они все будут пересекаться с данной. Говорят, что неевклидова поверхность в этом случае имеет положительную кривизну, она замыкается сама на себя и имеет конечную, а не бесконечную площадь. Грубой моделью такого типа поверхности является сферическая поверхность. Лобачевский заменил постулат о параллельных прямых постулатом, который гласит, что на поверхности через точку, расположенную вне данной линии, проходит бесконечное множество параллельных ей линий. Говорят, что такая поверхность имеет отрицательную кривизну. Она не замыкается сама на себя, тянется до бесконечности во всех направлениях. Седловидная поверхность может быть грубой моделью части такой поверхности. Риман впоследствии показал, единство и непротиворечивость всех неевклидовых геометрий, частным случаем которых является геометрия Евклида. При разработке общей теории относительности Эйнштейн счел необходимым использовать четырехмерную риманову геометрию. В качестве четвертого измерения он выбрал время. Значит каждое событие, которое имеет место во Вселенной, представляет собой событие, происходящее в четырехмерном мире пространства – времени (пространственно-временной континуум). Из общей теории относительности были получены важные выводы. Во-первых, свойства пространства-времени зависят от движения материи. Во-вторых, луч света должен искривляться в поле тяготения. В-третьих, поле тяготения должно изменять частоту света (замедление времени), в результате чего линии спектра должны смещаться в сторону красного света по сравнению со спектрами земных источников. Выводы, полученные из ОТО, вскоре были подтверждены экспериментально. В 1919 г. при наблюдении полного солнечного затмения наблюдалось искривление солнечного луча, причем отклонение оказалось близким к предсказанию Эйнштейна. Красное смещение в спектре Солнца было обнаружено в 1923–1926 гг., а 1925 г. – в спектре спутника Сириуса. Одно из подтверждений теории Эйнштейна было получено при изучении орбиты Меркурия – ближайшей к Солнцу планеты. Орбита этой планеты представляет собой эллипс, который медленно поворачивается. Форму и поворот орбиты можно предсказать как с точки зрения уравнений Ньютона, так и с помощью теории Эйнштейна. Для Меркурия орбита, предсказанная Эйнштейном, оказалось ближе к действительной, чем орбита, предсказанная Ньютоном. Впоследствии были проведены измерения вращения орбит Венеры и Земли, результаты которых находятся в хорошем согласии с уравнениями Эйнштейна. Общая теория относительности Эйнштейна произвела переворот в космологии, на ее основе появились различные модели Вселенной. Современные космологические модели еще более развивают представления о пространстве-времени нашей Вселенной.

Свойства пространства и времени.

Пространство и время, являясь важнейшими атрибутами материи, объективны и реальны, т. е. существуют вне и независимо от сознания человека. Из бесконечности материального мира вытекает еще одно общее свойство пространства и времени – бесконечность. Абсолютность и относительность, прерывность и непрерывность, противоречивость, структурность и протяженность также относятся к наиболее общим свойствам пространства и времени. Свойство абсолютности означает, что бытие вне времени и вне пространства – бессмыслица. Но наши представления о пространстве и времени относительны и из этих относительных представлений складывается абсолютная истина. Пространство и время имеют также и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные свойства материи.

Пространство. Основными свойствами пространства являются: однородность, изотропность, трехмерность. Однородность пространства означает, что все его точки обладают одинаковыми свойствами, параллельный перенос не изменяет законов природы. Свойство изотропности состоит в том, что все направления пространства равноправны и поворот на любой угол оставляет законы природы неизменными. Однородность и изотропность пространства позволяют измерять расстояния с помощью единого эталона длины. Человек воспринимает только трехмерное пространство. Трехмерность заключается в том, что каждая точка пространства однозначно определяется набором трех координат: длины, ширины и высоты. В повседневной практике человек имеет дело с евклидовым пространством и для описания положения точки чаще всего пользуется декартовой (прямоугольной) системой координат – x, y, z. Существуют и другие системы координат: косоугольная, сферическая, цилиндрическая, полярная. Положение точки на прямой характеризуется одной координатой, на плоскости – двумя, а в пространстве – тремя. Расстояние между точками в декартовой системе выражается соотношением: формула 10 , где формула 11 – расстояние между двумя точками; формула 12 – разность координат этих точек.

Все материальные процессы и измерения реализуются в пространстве трех измерений. В одномерном или двухмерном пространстве не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей также? как не могли бы они происходить и в любом другом n-мерном пространстве. Так, например, законы взаимодействия точечных гравитационных масс и точечных электрических зарядов обусловлены трехмерностью пространства. В n-мерном пространстве точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (n – 1). Тогда при n = 4 взаимодействие осуществлялось бы по закону обратных кубов. Это значит, что планеты бы двигались по спиралям и быстро упали на Солнце, в атоме также бы не было устойчивых орбит, а значит, не было бы химических процессов и жизни. В науке уже достаточно давно используется понятие многомерного пространства, но это понятие математической абстракции. К реальному пространству оно не имеет отношения. С математической точки зрения наиболее интересным оказывается мир с 11 измерениями, 7 из которых являются свернутыми для восприятия. В последние годы появилась гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые минуты рождения нашей Вселенной: 10 пространственных и 1 временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум. В принципе, мир можно построить из разного числа измерений. В современных теориях супергравитации и суперструн основные взаимодействия рассматриваются как многомерные геометрические конструкции. Время. В отличие от пространства время одномерно и необратимо. «Стрела времени» направлена из прошлого через настоящее к будущему; нельзя возвратиться назад или перешагнуть через определенный интервал времени в будущее. Время всегда связывает между собой какие-то события (явления, процессы), промежуток между двумя событиями представляет собой временной интервал, т.е. изменения в природе служат средствами измерения времени. А если чередование наблюдаемых событий идет разными темпами, то возникают разные временные системы. С этой точки зрения понятия прошлого, настоящего и будущего являются относительными (например, в микро-, макро- и мегамире). Понятие «настоящее время» охватывает тот интервал времени, в течение которого объекты реального мира обмениваются энергией и материей, т.е. успевают провзаимодействовать. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки времени, а для объектов Галактики они возрастают до сотни тысяч лет. События прошлого, настоящего и будущего малых систем укладываются в настоящее больших систем. Время жизни, например, звезды (Солнца) намного больше времени жизни многих поколений людей. Жизнь и второе начало термодинамики дают два наиболее важных примера невозможности движения времени вспять. Второй закон термодинамики, определяющий направление тепловых процессов в системе, можно сформулировать как закон возрастания энтропии. Энтропия – это мера беспорядка, хаотичности системы. Если процессы обратимы, то энтропия остается неизменной, в случае необратимых процессов она возрастает. Реальные процессы всегда необратимы. Повсеместно в макроскопических и космических масштабах происходит возрастание энтропии. Максимум энтропии соответствует состоянию термодинамического равновесия, когда разности температур во всех частях системы исчезают, и макроскопические процессы не происходят. Вся энергия системы превращается в энергию неупорядоченного движения микрочастиц и производство работы уже невозможно. Энтропия выступает в классической термодинамике в качестве своеобразной стрелы времени. Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего осознаются многими науками. Раньше ученые считали, что физические законы инвариантны относительно знака времени, т.е. в равной степени возможны события, происходящие как от прошлого к будущему, так и от будущего к прошлому. И не только механика Ньютона, но и механика Эйнштейна и квантовая механика этого не запрещали. Если одна пуля летит, например, с юга на север по определенной траектории, то другая подобная же пуля могла бы двигаться по той же траектории с севера на юг. Перемена знака в уравнениях Ньютона ничего не изменяет. Однако это утверждение будет верным, если все силы сопротивления сведены к нулю (вообще-то, физика не знает движений без сопротивления). Для полноты характеристики движения необходимы еще начальные условия (начальные координаты, начальные скорости). Но начальные условия никогда не задаются, они вытекают из тщательного анализа прошлого системы, т.е. прошлое управляет будущим. Предсказание будущего становится все туманнее, когда вычисления заходят все дальше в отдаленное будущее. Необходимо признать тот факт, что начальные (или конечные) условия необратимы. Наглядная иллюстрация тому – система, состоящая из ружья и пули: выстрел из ружья есть необратимое начальное условие, а попадание пули в голову приводит к совсем необратимому конечному результату. За последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распады нейтронов и мезонов с образованием нейтрино. С понятием стрелы времени тесно связана проблема детерминизма (закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений). Если нет стрелы времени, то нельзя говорить и о причинности. Наука считает, что за определенной причиной следуют определенные следствия. Причины и следствия всегда разделяются пространством и временем. Следствие всегда находится в будущем по отношению к причине. Существуют и довольно необычные точки зрения на понятие времени [13]. В 50-х гг. XX века профессор Пулковской обсерватории Н.А. Козырев писал: «Что собой представляет время – до сих пор не известно. Физик умеет только измерять его длительность, поэтому для него это пассивное понятие. Время имеет и другие активные свойства. Время является активным участником мироздания». С точки зрения Козырева, время обладает такими свойствами, которые позволяют ему активно участвовать во всех природных процессах и обеспечивать причинно-следственную связь явлений. Время – одна из основных форм энергии Космоса. Именно энергия времени является «топливом» для нашего Солнца и других звезд. Причину вулканизма на Луне Козырев предлагал искать в потоке времени. Им были созданы оригинальные приборы, позволяющие «взвешивать» потоки времени. С помощью лабораторных опытов ученому удалось установить некоторые физические свойства времени: энергию излучения, направленность и плотность. Он говорил, что время во Вселенной появляется сразу и везде, «все процессы, где есть причинно-следственные переходы, выделяют или поглощают время». Например, звезды должны выделять огромное количество времени, т.е. являться его генератором. Там, где нет причинно-следственных переходов, «времени просто не существует». В черных дырах, к примеру, ничего не происходит, потому что гигантское притяжение массы, проваливающейся в саму себя, остановило движение, и время тоже остановилось. Козырев экспериментально установил, что ход времени определяется линейной скоростью поворота причины относительно следствия, по его расчетам эта скорость должна быть 700 км/с. Козырев предложил свою методику наблюдения звезд. Известно, что звезду мы видим не там, где она находится теперь, а где она находилась в момент излучения. Если рассчитать ее нынешнее местоположение и направить на этот участок неба телескоп, то при изменении веса гироскопа гипотезу можно доказать (Козырев экспериментально показал, что гироскоп с электровибратором – система с причинно-следственной связью. Если вращение гироскопа препятствовало ходу времени, то возникали силы, которые можно было измерить). Таким образом, астроном зафиксировал положение Проциона. Последователи Козырева, новосибирские ученые, провели в конце 80-х гг. астрономические наблюдения по его методике, результаты которых показали, что звездные процессы влияют на земные датчики. Последние реагировали на видимое положение звезд и Солнца, на их истинные положения и на положения в будущем. Идеи и гипотезы Козырева приводят к довольно интересному выводу о том, что информация в настоящее поступает и из прошлого, и из будущего. Работы этого ученого открывают новые направления в исследовании свойств времени и процессов, происходящих во Вселенной. Кроме физического понятия пространства и времени, в современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени.

Особенности пространственно-временных параметров органической материи обеспечивают многообразие биологических систем. Эти особенности (смена видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть, биологическое существование человека) характеризуются биологическим пространством и временем. Важнейшим отличительным признаком живого является пространственная молекулярная асимметрия (хиральность). Было обнаружено резкое проявление левизны в материальной основе живого вещества. Именно с хиральностью связывал В. И. Вернадский специфику биологического пространства, а из его особенностей выводил и особенности протекания биологического времени. Это время является определенным параметром состояния живого вещества, оно должно отвечать специфике пространственного строения органической материи и не противоречить данному строению. Поэтому Вернадский объединяет биологическое пространство и биологическое время в единое биологическое пространство – время. С ним он связывает старение многоклеточных организмов, а смерть рассматривает как разрушение пространства – времени тел живых организмов. В результате становления человеческой психики происходит формирование психологического пространства и времени. Психическая регуляция движений человека, его предметных действий связана не только с отражением внешнего физического пространства, но и с его собственной биомеханикой и с собственным пространством. Советским психофизиологом Н. А. Бернштейном была разработана теория моторного поля, которое создается при помощи поисковых движений, зондирующих внешнее пространство во всех направлениях. В результате этого в психике человека формируется обобщенный образ пространства. Поиск и опробование будущих предметных действий человек осуществляет посредством идеальных образов, которые строятся на основе речевого общения с помощью психических процессов (ощущение, восприятие, память, мышление). Идеальные образы позволяют индивиду выходить за рамки данного мгновения, перемещаться в прошлое и будущее, во времени и в пространстве как на осознаваемом уровне, так и на бессознательном – сновидениях и галлюцинациях. Это одна из особенностей психологического пространства и времени. В рамках социогенеза – становления человеческого общества, развития форм социальной организации и духовной жизни – происходит процесс формирования социального пространства и времени. Эти понятия характеризуют собственные ритмы общественных систем и темпы изменения в различных сферах общественной жизни. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут существенно отличаться. Пространственно-временная проблематика тесно связана с системой ценностей человека. Сущность общественных процессов характеризуется социальным временем, т. е. длительностью, последовательностью этапов материальной и духовной деятельности человека. Исчисление длительности социальных процессов осуществляется такими единицами как эпоха, эра, сезон, сессия, семестр и т. п. Все они не могут быть не только определены, но не образуют соотношений между собой. Очевидно, что значимые для человека и общества характеристики длительности должны стать компонентами социального времени. Римский писатель и ученый Плиний Старший говорил: «Не считать надо дни, а взвешивать». С социальным временем связано личное время – время человека, свободного от участия в общественном производстве. Личным временем каждый распоряжается по-своему, оно является атрибутом индивидуальной жизни, но вместе с тем история отдельного человека не может быть оторвана от истории общества, поэтому оно непосредственно связано с социальным временем. Социальное пространство включает пространственную организацию социальных объектов общества, которые дифференцированы, разделены и определенным образом ориентированы. В рамках социального пространства существует жизнедеятельность людей в форме различных институтов, общностей, групп и территориальных структур. Существуют понятия жизненного и духовного пространства. Понятие «жизненное пространство» включает не только физический объем тел, но и пространство жизненных ресурсов, и проблему гармонического пребывания человека на Земле. Духовное пространство ассоциируется с чувством свободы, простора, независимости и красоты. Это гармония внутреннего мира человека с внешним, видимым миром. Успехи естествознания помогают глубже проникнуть в мир пространственно-временных отношений человека и общества.

Методы измерения пространственно-временных интервалов.

Измерения в науке тесно связаны с количественными сравнениями. Измерить – значит определить неизвестную величину известной установленной единицей меры. Способы определения пространственно-временных интервалов зависят от масштабов измеряемых расстояний и диапазонов временных промежутков. Масштабы расстояний во Вселенной невозможно охватить. Если сравнить реальные объекты с ростом человека, то диаметр живой клетки, например, оказывается в 100 000 раз меньше человеческого роста, атомы – в 100 000 раз меньше клеток, а ядра атомов – в 100 000 раз меньше самих атомов. Чтобы представить такие масштабы, пользуются методом сравнения: если дождевую каплю увеличить до размеров земного шара, то атом будет величиной с человека, а ядро атома – величиной с бактерию. Человек может различать невооруженным глазом объекты размером около 1 мм, лупа увеличивает в 10 раз, микроскоп позволяет увидеть объекты размером до 1 мкм (формула115 м), в видимом свете большее увеличение получить нельзя, так как длина световой волны становится больше размеров объектов и это ограничивает разрешающую способность прибора (способность давать раздельно изображения двух близких друг к другу точек объекта). Дело в том, что в результате дифракции света изображение светящейся точки в оптическом приборе представляет собой систему чередующихся светлых и темных колец и в случае, если линейные размеры предметов будут меньше длины волны, то изображения близких объектов накладываются друг на друга и становятся неразличимыми. Электронные микроскопы позволяют увеличить разрешающую способность, они дают возможность увидеть объекты размером до формула 250 м. Более мелкие объекты исследуются косвенными методами, например, рассеянием электронов. В макро- и мегамире мы встречаемся с размерами, большими по сравнению с ростом человека. Самые крупные животные на Земле больше человека в 10–20 раз, а расстояние от Москвы до Владивостока – в 5 миллионов раз. Средний радиус Земли равен 6,4•формула116 м, а ее спутника – Луны – в 4 раза меньше. Эти расстояния еще доступны нашему восприятию. Расстояние от Земли до Солнца составляет уже 150 миллионов километров, а от нашей Солнечной системы до ближайшей звезды (Проксима Центавра) – в 100 000 раз больше. Солнце – это всего лишь одна из примерно десяти миллиардов звезд нашей Галактики, называемой «Млечный Путь». Ее размеры в 25 000 раз превышают расстояние от Солнца до ближайшей звезды. Во Вселенной обнаружено более миллиарда галактик, превышающих размеры нашей Галактики в 100 000 раз. Такие размеры выходят за рамки нашего воображения, но современная наука располагает методами вычисления таких расстояний. Небольшие расстояния в макромире измеряются с помощью эталона. Такие измерения требуют непосредственного контакта с точками, между которыми измеряется расстояние. Самые простейшие измерения производятся с помощью линейки или рулетки. Кинематический способ измерения расстояний основан на использовании математических уравнений: формула 13 в случае движения по прямой с постоянной скоростью формула 14 или формула 15 – при движении с переменной скоростью (формула 16 – расстояние, t – время движения). Примером такого способа измерения расстояний является радиолокационный метод. В этом случае мощный электромагнитный импульс посылается на исследуемый объект и принимается отраженный от него сигнал. Зная, что электромагнитная волна распространяется с постоянной скоростью с=300000км/с, и точно измеряя время прохождения сигнала до объекта и обратно, можно вычислить искомое расстояние: S=ct/2. Радиолокационным методом уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса, Юпитера. К кинематическому способу измерения относится метод измерения расстояний в микромире при помощи дифракции элементарных частиц. В качестве эталона длины выступает в этом случае длина волны излучения. Еще одним способом измерения расстояний является метод геометрического параллакса (параллакс – видимое изменение положения предмета вследствие перемещения глаза наблюдателя). В этом случае удаленный предмет рассматривается с двух разных точек. Оценить расстояние до этого предмета можно, зная расстояние между точками и углы, которые образуют направления на удаленный предмет с линией, соединяющей точки наблюдения. Расстояние до исследуемого предмета определяется по теореме синусов. С помощью этого метода можно определять расстояния между удаленными точками на Земле; расстояние до планет Солнечной системы, взяв в качестве базиса радиус Земли; расстояние до ближайших звезд. В последнем случае в качестве базиса выбирается средний радиус земной орбиты. Угол, под которым видна со звезды большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения, называется годичным параллаксом. С этой величиной связана основная единица измерения расстояний между звездами – парсек (сокр. от параллакс и секунда). Так, например, Проксима Центавра при параллаксе 0,762» находится на расстоянии 1,31 пк (4,04•формула117 м), а ярчайшая звезда северного полушария Сириус (α-Большого Пса) – 0,375» и 2,66 пк. Большинство известных нам звезд слишком далеки, чтобы можно было определять до них расстояния методом параллакса, поэтому астрономы пользуются другими приемами. Расстояния до ближайших галактик определяются методом измерения сравнительной яркости, исходя из закона убывания интенсивности излучения пропорционально квадрату расстояния. Для определения расстояния до более далеких звездных систем проводятся наблюдения за цефеидами. Цефеиды – это нестационарные пульсирующие звезды, блеск которых периодически меняется. Между периодом пульсации и светимостью звезд существует зависимость «период – светимость». Измеряя период пульсации цефеид, определяют светимость звезд, используя данную зависимость, а по светимости и видимой звездной величине (видимому блеску) вычисляют расстояние до цефеид. Диапазон временных интервалов также достаточно широк, как и пространственный. История человечества – это всего лишь точка на фоне мировой эволюции. Средний возраст Вселенной в 2,5 раза превышает возраст Солнечной системы и в 250 миллиардов раз – среднюю продолжительность жизни человека. Как измеряются такие огромные промежутки времени, не сопоставимые с жизнью всего живого на Земле? Важнейшим методом измерения больших временных интервалов является метод радиоактивного распада. Идея этого метода заключается в измерении остаточной радиоактивности А найденного предмета и сравнении ее с некоторым стандартным значением формула 19. Чем сильнее отличается радиоактивность найденного предмета от стандартной, тем предмет старше. Объясняется это следующим образом. В процессе обмена веществ все живое усваивает из воздуха углекислоту формула 20. Основная часть углерода в составе углекислоты представлена стабильными изотопами формула 18 (99 %) и формула 21 (~1 %), но кроме них имеется еще небольшая (10-10 %) примесь радиоактивного изотопа углерода формула 23. Содержание радиоактивного углерода в атмосфере с течением времени почти не изменяется, поэтому и процентное содержание формула 23 в живом организме является практически неизменным (не зависит от исторической эпохи). Один грамм углерода живой древесины содержит сегодня примерно такое же количество радиоактивного изотопа, как и 10 000 лет назад. После того, как дерево срубили, содержание формула 23 будет уменьшаться по закону радиоактивного распада формула 17 , Где N (t)– число радиоактивных атомов в момент времени t; Nₒ– число радиоактивных атомов в момент времени t=0; Т – период полураспада.

По оставшемуся количеству радиоактивного углерода можно судить о том, сколько лет прошло с тех пор, когда данный кусок доски был живым деревом. Таким методом можно определить возраст до 25 000 лет. О возрасте Земли, Солнечной системе можно судить по периоду полураспада элементов: за время полураспада половина любого вещества превращается в другой элемент, за следующий период полураспада – еще половина и т. д. Так как в природе нет радиоактивных элементов с периодом полураспада в формула116формула 260 лет, то возраст Солнечной системы должен быть около формула 260 лет. В настоящее время он уточнен из сравнения содержания изотопов урана (U-235 и U-238) и составил 5•формула1166 лет. Оценка возраста Вселенной связана с моделями эволюции Вселенной, о чем будет сказано ниже. Кроме больших интервалов времени существуют и достаточно малые временные промежутки. Так, например, период колебаний звуковой волны составляет 0,001 с, радиоволны – формула115 с, колебания молекул совершаются за период формула 25 с, атома – формула 26 с, ядра – формула 27 с. Такие маленькие интервалы времени можно измерять через скорость света. За формула1166 с (одна миллиардная доля секунды) свет проходит расстояние в 30 см, значит расстояние, равное размеру атома, свет пройдет за формула 25 с, атомного ядра – за формула 27 с.

Статистические закономерности в природе.
верх

  • Описание состояний в динамических и статистических теориях.
  • Законы термодинамики. Хаос, беспорядок и порядок в природе.
  • Энтропия.

Квантовые представления в физике микромира.
верх

  • Противоречия в классической теории изучения и появление концепции квантов.
  • Корпускулярно-волновой дуализм.
  • Особенности описания состояний в квантовой механике.
  • Дискретные уровни энергии электронов в атомах и принцип Паули
.

Строение вещества.
верх

  • Химия и алхимия.
  • Учение о составе вещества.
  • Понятие о химических элементах.
  • Учение о структуре вещества.
  • Органические и неорганические соединения.
Лекции 9-10
Учение о составе вещества.

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие структуры — атомы, или, как он их называл, minima naturalia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры, по терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была достаточно прочной, и поэтому кластеры сами были невидимыми глазу кирпичиками для построения реальных физических тел. В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула». В период с середины XV11 в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с использованием вновь открытых химических элементов.

Концепция химического элемента.

Концепция химического элемента появилась в химии как результат стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения данной проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время в химии Р. Бойлем. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и окалину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда металлы — железо, медь, свинец — принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Однако именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам. Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. В настоящее время известно, что атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента — химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6—7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1—2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их для его достройки. Современный окружающий человека мир заполнен многочисленными соединениями, образованными элементами периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е гг. XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 — это уран). Сегодня науке известно 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента. Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем. В 1940 г. был синтезирован нептуний, после этого были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го. Трансурановые элементы с атомными номерами до 100-го можно получить в ядерном реакторе путем бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами. Более тяжелые элементы получают только в ускорителях в очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате этого образуются очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились новые мощные ускорители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий. Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 108 лет. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, то их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны новые экспериментальные методы и технические средства. Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д. В настоящее время выпускается огромное количество различных приборов, содержащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик материалов. Довольно широко используется метод меченых атомов, который позволяет проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах Для этого в исследуемое вещество вводятся радиоактивные изотопы определенных элементов и ведется наблюдение за их продвижением. Так можно проследить за превращением веществ как в доменной печи, так и в живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода-18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов. В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности на изотопах плутония-238 и кюрия-224 применяются в приборах для стабилизации ритма сердца. В химической промышленности изотопы используются для облучения полиэтилена и других полимеров с целью повышения их термостойкости и прочности. Таким образом, правильное использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в последнее время об этом стали забывать, все меньше доверяя радиации, которая ассоциируется с атомной бомбой или Чернобыльской катастрофой. Забыты те времена, когда радиоактивность и рентгеновское излучение были только что открыты и их посчитали панацеей в медицине. Мало кто помнит о том, что в начале XX в. в свободной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в 20—30-е гг. XX в. появились первые свидетельства того, что радиоактивное излучение неблагоприятно влияет на живые организмы, вызывая генетические изменения — мутации, а также различные виды онкологических заболеваний. Последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки подтвердили эти выводы. Поэтому современная медицина двойственно относится к радиации. С одной стороны, говорится, что только в малых дозах радиация безопасна (в природе существует естественный радиоактивный фон), с другой — продолжают использовать рентгеновское обследование и лучевую терапию в лечебных целях.

Концепция химических соединений.

Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям. Еще в начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом — прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Также Пруст установил, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, могли замещаться на другие атомы. После этого долго считали, что состав химического соединения может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими постоянный состав, существуют еще и соединения переменного состава, или бертолли-ды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. Существуют кова-лентные полярные, ковалентные неполярные ионные, водородные и металлические химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой — молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Физика микромира.
верх

  • Методы изучение микромира.
  • Ускорители элементарных частиц.
  • Стандартная модель элементарных частиц.
Лекции 11-12.

Станда́ртная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной. Необходимость незначительного расширения модели возникла в 2002 году после обнаружения нейтринных осцилляций, а подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц.

Стандартная модель состоит из следующих положений:

Всё вещество состоит из 12 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами которых являются фундаментальные частицы-фермионы, которые можно объединить в три поколения фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований. Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны:

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии SU(3)) 3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия (группа симметрии SU(2)); один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U(1)). В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших, и к таким эффектам, как нарушение CP-инвариантности и нейтринные осцилляции. Внешними параметрами стандартной модели являются: массы лептонов (3 параметра, нейтрино принимаются безмассовыми) и кварков (6 параметров), интерпретируемые как константы взаимодействия их полей с полем бозона Хиггса, параметры CKM-матрицы смешивания кварков — три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CP-симметрию — константы взаимодействия кварков с электрослабым полем, два параметра поля Хиггса, которые связаны однозначно с его вакуумным средним и массой бозона Хиггса, три константы взаимодействия, связанные соответственно с калибровочными группами U(1), SU(2) и SU(3), и характеризующие относительные интенсивности электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

В связи с тем, что обнаружены нейтринные осцилляции, стандартная модель нуждается в расширении, которое вводит дополнительно 3 массы нейтрино и как минимум 4 параметра PMNS-матрицы смешивания нейтрино, аналогичные CKM-матрице смешивания кварков, и, возможно, ещё 2 параметра смешивания, если нейтрино являются майорановскими частицами. Также в число параметров стандартной модели иногда вводят вакуумный угол квантовой хромодинамики. Примечательно, что математическая модель с набором из 20 с небольшим чисел способна описать результаты миллионов проведённых к настоящему времени в физике экспериментов

По состоянию на конец XX века все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментально, иногда с очень высокой точностью в миллионные доли процента. Только в 2000-е годы стали появляться результаты, в которых предсказания Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом, и даже явления, крайне трудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели (так называемой «новой физики») — одно из самых активных направлений исследования в 2010-х годах. Ожидалось, что эксперименты на Большом адронном коллайдере смогут зарегистрировать множество отклонений от Стандартной модели (с добавлением массивных нейтрино), однако по состоянию на конец 2011 года после двух лет экспериментов таких отклонений обнаружено не было.

Вселенная.
верх

  • Масштабы и строение Вселенной.
  • Развитие космологических представлений.
  • Экспериментальные обоснования концепции Большого Взрыва.
Лекции 13-14.

Масштабы Вселенной и ее строение.

Самые крупномасштабные структуры Вселенной. Когда стало известно о существовании скоплений галактик, встал вопрос о том, не образуют ли они, в свою очередь, еще более масштабные системы? И не может ли такая иерархическая структурность распространяться до бесконечности, когда любая система входит в состав другой, а та – в состав еще более крупной, и так далее? Наука дала положительный ответ на первый вопрос и отрицательный – на второй. Первое указание на существование очень крупных концентраций галактик, боле масштабных, чем отдельные скопления, было получено благодаря работам Уильяма Гершеля и его сына Джона Гершеля. Найденные ими туманности, находящиеся вдали от Млечного Пути (сейчас мы знаем, что большинство из них является галактиками), оказались распределенными очень неравномерно: треть туманностей находится в пределах восьмой части неба с центром в скоплении Девы. В 20 в. резко возросшие возможности астрономических наблюдений привели к быстрому прогрессу в изучении пространственного распределения галактик. В 1950-х американский астроном Жерар де Вокулер ввел термин «Сверхгалактика». Так он назвал уплощенную концентрацию галактик размером порядка ста миллионов световых лет, в центре которой находится скопление Девы. Сверхгалактика охватывает вытянутую область, протянувшуюся на небе на несколько десятков градусов. Вблизи плоскости Сверхгалактики, почти перпендикулярной плоскости нашей Галактики лежит большинство близких скоплений галактик. Вскоре американский астроном Г.Абель, автор первого обширного каталога скоплений галактик, отметил существование не одного, а нескольких «скоплений из скоплений», расположенных значительно дальше Сверхгалактики Вокулера (ее называют также Местной Сверхгалактикой или Местным Сверхскополением). В 1960-х астрономы Ликской обсерватории (США) С.Шейн и С.Виртанен также обнаружили несколько «облаков» далеких галактик примерно такого же размера, как Местная Сверхгалактика. Существование необычно крупных концентраций галактик следовало и из работ Ф.Цвикки (США), составившего многотомный атлас распределения очень большого числа галактик и их скоплений по фотографическому Паломарскому обзору неба. Термин «Сверхскопление галактик» в применении к системе, объединяющей от нескольких до нескольких десятков отдельных скоплений галактик, прочно вошел в обиход. Сейчас выделено более двухсот сверхскоплений, состоящих из двух и более отдельных скоплений галактик. Качественно новый уровень в изучении крупномасштабной структуры был достигнут при получении массовых оценок лучевых скоростей (красных смещений) галактик. Знание лучевых скоростей, характеризующих расстояния до галактик (см. ЗАКОН ХАББЛА), дало возможность построения (для некоторых выбранных областей неба) трехмерных карт пространственного распределения галактик, охватывающих масштабы более миллиарда световых лет. Анализ распределения галактик и их скоростей привел к выводу о том, что сверхскопления нельзя рассматривать как такие же связанные системы, как и сами скопления, только большего масштаба. Сверхскопления, как оказалось, это не обособленные «острова» из скоплений или из отдельных галактик, а просто наиболее плотные участки сложной, ячеистой или волокнистой структуры, образуемой в пространстве галактиками и их системами. Вопрос о том, имеет ли Вселенная ячеистую структуру, впервые был поставлен в 1970-е Яаном Эйнасто и его сотрудниками (Тартуская обсерватория, СССР). Многочисленные работы астрономов разных стран подтвердили предположение, высказанное эстонскими астрономами. Оказалось, что самая крупномасштабная структура Вселенной действительно представляет собой ячейки различного размера, составленные из галактик и их систем. Галактики и их скопления концентрируются к своего рода изогнутым «стенкам» толщиной порядка 10 млн. световых лет, пересекающимся друг с другом. Некоторые «стенки» прослеживаются на сотни миллионов световых лет. Там, где стенки «смыкаются», галактик особенно много (сверхскопления). Эти области повышенной концентрации галактик образуют в пространстве подобие длинных волокон (цепочек). Внутри ячеек, между стенками, находятся пустоты (их называют «войды» от английского «void» – «пустое место»), в которых плотность галактик как минимум вдесятеро меньше, чем в среднем. Некоторым аналогом такой структуры может служить пена из мыльных пузырей. Правда, распределение галактик вдоль «стенок» ячеек, в отличие от распределения мыльного раствора в пузырях, очень неоднородно, да и сами ячейки не обладают правильностью форм. Размеры больших ячеек составляют несколько десятков мегапарсек (более сотен миллионов световых лет), но много и более мелких. Ближайшая к нам «стенка» проходит длинной дугой через южные созвездия Гидры – Центавра –Телескопа – Павлина – Индейца. Образующие ее галактики имеют лучевые скорости в несколько тысяч км/с, и большинство из них удалено от нас не менее чем на 20–30 млн. световых лет. К этой «стенке» принадлежит и скопление в Деве, и все Местное Сверхскопление, на периферии которого располагается Местная Группа галактик, включающая в себя нашу Галактику. Поскольку мы находимся вблизи края этой «стенки», составляющие ее галактики образуют на небе сравнительно узкую полосу, растянувшуюся более чем на 180 градусов, наподобие того как звезды Галактики концентрируются для нас в полосу Млечного Пути. Правда, отдельных звезд в галактиках во много раз больше, чем отдельных галактик в стенках ячеек. К другой длинной «стенке», иногда называемой «Великая стена», которая протянулась полосой почти на пол неба, принадлежит богатое хорошо изученное скопление в Волосах Вероники (Сoma), находящееся на расстоянии почти 300 миллионов световых лет от нас, в центре другой сверхгалактики. Одно из крупных сгущений галактик, по-видимому, образованное несколькими скоплениями, удаленное от нас примерно на 200 миллионов световых лет, получило название «Великий Аттрактор» (от англ. attract – притягивать). Название связано с тем, что в 1980-х ученым удалось обнаружить и, главное, измерить гравитационное влияние этого уплотнения на величину скоростей галактик в окружающем пространстве. К сожалению, изучение «аттрактора» затруднено сильным межзвездным поглощением. В 2003 на Англо-Австралийском телескопе (в Австралии) была завершена программа массового измерения лучевых скоростей внегалактических объектов, в том числе очень слабых и далеких, в определенно выбранных областях неба. В результате выполнения программы были получены оценки расстояний для рекордно большого числа (ок. 250 тыс.) отдельных галактик. Анализ трехмерной картины распределения галактик, проведенный по этим измерениям в двух противоположных областях неба (вблизи Северного и Южного полюсов Галактики), показал, что описанная выше ячеистая структура прослеживается до расстояния более миллиарда световых лет в каждую сторону, и, по-видимому, продолжается еще дальше. Очевидно, такова структура всей нашей Вселенной. В таком случае получается, что Вселенную можно считать однородной только начиная с масштаба в несколько сотен миллионов световых лет. Куб такого или большего размера (где бы его ни поместить), будет содержать примерно одинаковое количество галактик, скоплений галактик или «войдов», а на более мелких масштабах распределение галактик нельзя считать однородным даже приблизительно. Этот важный вывод приходится учитывать при разработке космологической теории эволюции Вселенной.

Звезды.
верх

  • Разнообразие звезд, их строение и устойчивость.
  • Рождение, жизнь и смерть звезд.
  • Звездные останки: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.

Земля.
верх

  • Предмет и методы наук о Земле.
  • Возникновение Земли и основные периоды геологической эволюции.
  • Внутренние и внешние оболочки Земли.
  • Тектоника литосферных плит.

Жизнь.
верх

  • Структурная иерархия живой материи.
  • Феноменология жизни.
  • Молекулярные процессы в клетке.
  • Происхождение жизни и основные этапы ее эволюции.
  • Генетика и эволюция.

Человек.
верх

  • Человек в иерархической структуре царства животных.
  • Основные стадии антропогенеза.
  • Социальная природа человека.

Биосфера.
верх

  • Экосистема и техника.
  • Биосфера и человек.
  • Глобальный экологический кризис.
Лекции 15-16.

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК. НООСФЕРА. Человек — элемент биосферы. Все природные ресурсы планеты предопределяют возможность жизни человека и являются основой ее материального производства. Прирост населения, развитие науки и техники, привели к тому, что деятельность человека стала важным фактором развития биосферы. Под воздействием научной мысли и человеческого труда возникла возможность перехода биосферы в новое состояние — ноосферу. Ноосфера (за В. И. Вернадским) — это «мыслящая» оболочка, сфера ума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного человека. Человечество интенсивно потребляет как живые, так и минеральные, природные ресурсы, потому возникают следующие проблемы: истощение природных ресурсов, снижения численности, и гибель живых организмов, сужения их ареалов, загрязнения и отравления среды, промышленными отходами. В результате производственной деятельности человека происходит загрязнение атмосферы вредными газами, увеличение концентрации CO2; разрушение озонового слоя увеличением концентрации окислов азота и фреонов; изменение климата, роста «парникового эффекта» и повышения температуры воздуха; загрязнение водоемов и сокращение их площадей; уничтожение лесов, массовое заболевание растительности; засоление почв и растущее опустынивание; интенсивное использование энергоносителей, создания атомных электростанций и загрязнения среды, радиоактивными отходами.

Все эти влияния на биосферу вызывают цепные экологические реакции, которые отражаются в конечном результате на жизни человека. Рациональное природопользование — основа для сохранения многообразия биосферы и роста благосостояния человечества. Человек не господствует над природой, а является ее частью.

СВОЙСТВА БИОСФЕРЫ.

Пределы биосферы. Биосфера — часть оболочки Земли, населенная живыми организмами. Учение о биосфере создал академик В. И. Вернадский (1863—1945). Именно он впервые рассмотрел все живые организмы Земли как единственный фактор, включенный к круговороту веществ в природе, которая аккумулирует солнечную энергию и определяет геологические процессы Земли. Биосфера занимает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу, атмосферу, и имеет определенные пределы. В атмосфере предел биосферы находится на высоте 15—20 км, совпадает с тропосферой и ограниченная озоновым экраном. Основной слой атмосферы, где сосредоточена большая часть воздуха. Гидросфера охвачена жизнью почти полностью. Организмы, которые населяют верхний слой гидросферы, называют планктоном, а придонные — бентосом. В литосфере жизнь сосредоточена в основном на ее верхней части глубиной до 80 м. Но некоторые следы жизни обнаружены на глубине до 100 м. Наиболее плотно заселен организмами поверхностный слой земной коры, образованный почвой. Условия и плотность жизни. Необходимыми условиями для жизни организмов является вода, воздух, светло и тепло. Температурный фактор, степень влажности и освещенность, определяют распространение жизни на планете. Вся совокупность живых организмов планеты образует биомассу Земли. Она равняется 2423 • 10 т сухой массы, 97% которой приходится на растения, а 3% — на животные и микроорганизмы. Вся биомасса являет собой живое вещество, которое имеет способность расти, размножаться и распространяться на планете. Размножение определяет плотность жизни. Плотность неодинакова в разных средах и на поверхности Земли. Основная биомасса сосредоточена на континентах — 99,8%. Биомассу поверхности суши образуют все живые организмы, которые живут в наземно-воздушной среде на поверхности Земли. Кстати, на частицу растительных организмов приходится 99%, а на частицу животных и микроорганизмов — лишь 1%. Наивысшая плотность отмечается на экваторе, а в меру отдаления к полюсам она уменьшается. Биомасса почвы — совокупность организмов, которые живут в почве. Наибольшее количество образуют грунтовые бактерии (до 500 т/га). В поверхностных слоях распространены зеленые водоросли и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Толща почвы пронизана корнями растений, гифами грибов. Она является средой обитания для многих животных. Биомасса Мирового океана — совокупность живых организмов гидросферы. Она значительно меньше биомассы суши и составляет около 0,13%, причем соотношение растительных и животных организмов прямо противоположное их соотношению на суше. В Мировом океане на частицу растений приходится лишь 6,3%, а животные составляют 93,7%. Это связано с тем, что солнечная энергия в воде используется всего на 0,04%, тогда как на суше — до 1 %. Состояние атмосферы также связано с жизнедеятельностью живых организмов, наличием кислорода в воздухе, его соотношением с углекислым газом и азотом. Функции живого вещества. Живое вещество в биосфере выполняет такие функции: газовую, концентрационную, окислительно восстановительную. Газовая функция заключается в постоянном газообмене организмов с окружающей средой в процессе дыхания и фотосинтеза. Во время фотосинтеза растения выделяют кислород, поглощая углекислый газ. А в процессе дыхания кислород используется на окисает органических веществ, при этом выделяется углекислый газ. Также используются азот, сероводород, вода. Концентрационная функция заключается в биогенной миграции атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах в процессе синтеза органических веществ, а затем, после их отмирания и минерализации, переходят опять в неживую природу. Следствием концентрационной функции живых организмов является скопление химических соединений в определенных местах земной коры, нагромождения полезных ископаемых, например, известняка, торфа, каменного угля. Окислительно восстановительная функция лежит в основе обмена веществ и энергии организма с внешней средой. Она заключается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. Образование веществ в живых организмах является результатом окислительно восстановительных реакций. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и тратится энергия. А в процессе расщепления и окисает в присутствии кислорода преобладают окислительные реакции и энергия выделяется. Жизнь — синтез и распад органических веществ, которые не прекращаются, и объединяют все живые организмы на Земле.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ.

Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду. В атмосфере всегда присутствуют газы: азот — 78%, кислород — 20,9%, углекислый газ — 0,033% и другие газы-примеси, в том числе пара воды. Эти газы превращаются живой биомассой планеты. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Углекислый газ используется на построение органических веществ и через растительные организмы, в виде питательных веществ, переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисает органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов образуется углекислый газ, который опять выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве бактериями, которые фиксируют азот, и превращается в доступный для усвоения растениями состояние. Из почвы соединения азота поглощаются растениями для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов превращает азот и освобождает его в атмосферу. Следовательно, благодаря сбалансированному круговороту газов состав атмосферы всегда находится на постоянном уровне. Атмосфера имеет биогенное происхождение. В воздушный круговорот включается 98,3% всех веществ. Большие запасы Фосфора находятся в горных породах. При разрушении горных пород Фосфор поступает в почву, а следовательно усваивается живыми организмами. Но часть фосфатов растворяется в воде и вымывается в Мировой океан, где оседает на дне в виде отложений. Вода также принимает участие в круговороте. В процессе фотосинтеза она используется для синтеза органических веществ, а при дыхании и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме этого, вода нужна всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые для усвоения живыми организмами. В водной среде происходит круговорот Натрия, Магния, Кальция, Феруму, Сульфуру и других элементов, которые в целом составляют 1,7% от общего количества веществ, которые принимают участие в круговороте. В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и наоборот. Круговорот веществ состоит из двух противоположных процессов, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их расписания. Образование живого вещества преобладает на поверхности Земли, а минерализация — в почве и морских глубинах. Одновременно с миграцией атомов происходит и превращение энергии. Единственным источником энергии на Земле является солнце. Часть теплая тратится на обогрев земли и испарение воды. И только 0,2% солнечной энергии накапливается в процессе фотосинтеза. Эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ, при расщеплении и окисает которых в процессе питания выделяется и опять тратится на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие. Этот процесс незамкнут, потому есть необходимость в постоянном поступлении солнечной энергии. Следовательно, биосфера являет собой большую систему, которая состоит из разнородных компонентов, связанных между собой процессами превращения энергии и вещества. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела живой и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы.

Естественнонаучный и научно-технический прогресс.
верх

  • Научно-технический прогресс и естествознание.

Самоорганизация в природе и обществе.
верх

  • Особенности эволюционных процессов в природе.
  • Синергетика как наука о самоорганизации.


Заметили опечатку?

Выделите текст и нажмите CTRL+ENTER.

Поступить в МИЛ

  • captcha

Поступить в МФЭИ

  • captcha

Demo Demo