Содержание

Тема 1. Структура раздела науки. 3

Тема 2. Анализ формирования нового первичного идеального объекта на материале истории классической физики. 8

Тема 3. Теория относительности (специальная - СТО и общая) и современная космология. 10

Тема 4. Квантовая механика. 13

Тема 5. Термодинамика, кинетическая теория тепла, равновесная статистическая физика и физическая кинетика. 15

Тема 6. Синергетика. 17

Тема 7. Основные понятия химии. 19

Тема 8. Структура биологических наук. 25

Тема 1. Структура раздела науки

Получение объективного знания о мире – задача мышления, разума. К концу XVI века формируются идеалы рационализма, провозглашается господство «века Разума» и соответственно меняются (по сравнению с античностью и средневековьем) представления о целях, задачах, методах естественно-научного познания. Природа при этом представляется как своеобразная громадная машина, взаимодействие между частями которой осуществляется на основе причинно-следственных связей. Задачей естествознания становится определение лишь количественно измеримых параметров природных явлений и установление между ними функциональных зависимостей, которые могут (и должны быть) выражены строгим математическим языком. В это время и возникают предпосылки развития механистических взглядов в естествознании, что в последствии привело к глобальной научной революции.

Вторая глобальная научная революция приходится на XVI— XVIII вв. Ее исходным пунктом считается как раз переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Это, безусловно, самый заметный признак смены научной картины мира, но он мало отражает суть происшедших в эту эпоху перемен в науке. Их общий смысл обычно определяется формулой:

становление классического естествознания. Такими классиками-первопроходцами признаны:  Н. Коперник,  Г. Галилеи, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон.

В чем же заключаются принципиальные отличия созданной ими науки от античной? Их немало:

1. Классическое естествознание заговорило языком математики. Античная наука тоже ценила математику, однако ограничивала сферу ее применения «идеальными» небесными сферами, полагая, что описание земных явлений возможно только качественное, т.е. нематематическое. Новое естествознание сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма, величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.

2. Новоевропейская наука нашла также мощную опору в Методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями. Это подразумевало активное, наступательное отношение к изучаемой природе, а не просто ее созерцание и умозрительное воспроизведение.

3. Классическое естествознание безжалостно разрушило античные представления о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире, который обладает совершенством, целесообразностью и пр. На смену им пришла скучная концепция бесконечной, без цели и смысла существующей Вселенной, объединяемой лишь идентичностью законов.

4. Доминантой классического естествознания, да и всей науки.Нового времени, стала механика. Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. При этом все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания, были грубо изгнаны из царства научной мысли. Утвердилась чисто механическая картина природы.

5. Сформировался также четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. При этом в познавательной деятельности подразумевалась жесткая оппозиция субъекта и объекта познания, их строгая разделенность. Объект познания существует сам по себе, а субъект (тот, кто познает) как бы со стороны наблюдает и исследует внешнюю по отношению к нему вещь (объект), будучи при этом ничем не связанным и не обусловленным в своих выводах, которые в идеале воспроизводят характеристики объекта так, как оно есть «на самом деле».

Таковы особенности второй глобальной научной революции, условно названной ньютоновской. Ее итог: механистическая научная картина мира на базе экспериментально-математического естествознания. В общем русле этой революции наука развивалась практически до конца XIX в. За это время было сделано много выдающихся открытий, но они лишь дополняли и усложняли сложившуюся общую картину мира, не покушаясь на ее основы.

Классическое естествознание, как уже говорилось ранее, «выросло» на применении экспериментально-математических методов. Успешное использование математики для выражения закономерных связей и отношений любых природных объектов способствовало возникновению веры в то, что научность (истинность, достоверность) знания определяется степенью его математизации. «Книга природы написана на языке математики», — утверждал Г. Галилей. «В каждом знании столько истины, сколько есть математики», — вторил ему И. Кант. Логическая стройность, строго дедуктивный характер построений, общеобязательность выводов математики создали ей славу образца научного знания. И хотя современная математика весьма далека от идеала безупречной обоснованности и логического совершенства, но ее значение для естествознания не только сохраняется, но и усиливается.

«Выгоды» естествознания от использования математики многообразны. Во многих случаях математика выполняет роль универсального языка естествознания, специально предназначенного для лаконичной и точной записи различных утверждений. Все, что можно описать языком математики, поддается выражению и на обычном языке. Но изъяснение в этом случае может оказаться столь длинным и запутанным, что это сильно усложнит жизнь. Математический же язык краток и компактен.

Однако главное достоинство математики, столь привлекательное для ученых-естественников, заключается в том, что она способна служить источником моделей, алгоритмических схем для связей, отношений и процессов, составляющих предмет естествознания. Конечно, любая математическая схема или модель — это «упрощающая идеализация» исследуемого объекта. Но упрощение — не только огрубление, искажение. Это ведь одновременно и выявление ясной и однозначной сути объекта, с которой легко и просто работать.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи — атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука». Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде «Пробирные весы», оказала решающее влияние на становление классического естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер».. Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного) пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую) модель Вселенной, но и направила движение естественнонаучной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря возможности сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...». Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое,, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Бруно получили и «физике неба» И. Кеплера и в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики — принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Декарт развил также представление о соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же — соприсуще человеку и потому является модулем мышления». «... Время, которое мы отличаем от длительности, — пишет Декарт в «Началах философии», — есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...».

Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения» Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

• Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

• Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обьхденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.

• Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространства» и «времени» ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников — естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г. В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц пишет: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком сосуществований, а время — порядком последовательностей» .

Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с пространством и временем, заключаются в следующем.

Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них инерциальная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени «показывать продолжительность события». Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дально-действующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Тема 2. Анализ формирования нового первичного идеального объекта на материале истории классической физики.

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышление и мировоззрение.

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно — на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, — светоносного эфира.

Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.

Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы.

В книге "Эволюция физики" А. Эйнштейн и Л. Инфельд назвали развитие кинетической теории вещества одним из величайших достижений науки, непосредственно вызванной механистическим воззрением.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожий назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».

В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до XX в.

Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики, т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.

      Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.

  Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе, физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела:

     F=ma

Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить  естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел .

     К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).

        Третий закон утверждает, что при взаимодействии оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены. Они не могут уравновешивать друг друга, т.к приложены к разным телам.

Первый, второй и третий законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета.

Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: F_гр= - Gm₁*m₂/r²

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше г), m₁ и m₂  — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-10¹¹ Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Тема 3. Теория относительности (специальная - СТО и общая) и современная космология.

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной — зависит от конкретных эмпирических исследований и, прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства — времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной— замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с "большого взрыва". Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства — времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально "горячей" модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдались и не анализировались в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.

К изучению «начала», то есть момента образования Вселенной можно подходить с разных точек зрения.

Одна из них сводится к тому, что изучаемых на Земле законов явно недостаточно для объяснения процессов, происходящих во Вселенной (исследователь Амбарцумян). В самом деле, если при переходе к микромиру, который в 10¹⁵ раз больше нашего макромира, исследователи столкнулись с новыми силами и новыми явлениями, то что следует ожидать от Вселенной, которая в 10²⁶ раз больше (10 млрд. Световых лет или 10²⁸ см). Напрашивающийся вывод – необходимо допустить существование в Космосе новых законов.

С другой стороны, изучение ближних к нам галактик показывает, что они не сильно отличаются от нашей, их составляют те же объекты - туманности, звездные скопления, звезды и, вероятно, планеты. Поэтому «рабочую модель» допустимо строить на основе применения законов физики и химии.

Общие закономерности развития Вселенной изучаются с помощью космологических моделей. Очевидно, что для познания  распределения вещества в пространстве и его движения во Вселенной нужно пользоваться законом всемирного тяготения, поскольку гравитационное взаимодействие главенствует во Вселенной. В этом случае в однородной вселенной  с плотностью r галактики, находящиеся на границе сферы радиуса R, будут притягиваться к центру шара с силой, вызывающей ускорение   . Чтобы Вселенная была устойчива, необходимо и отталкивание, которое уравновешивает притяжение .

Создание Эйнштейном общей теории относительности значительно продвинуло вперед разработки моделей развития Вселенной. Однако во время создания ОТО (1905 – 1915) Вселенная представлялась иначе, чем сейчас. Метагалактика и её расширение ещё небыли открыты, поэтому Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, равномерно заполненной галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Такое представление даже в рамках теории Ньютона неизбежно вело к сжатию мира под действием притяжения, поэтому Эйнштейн для предотвращения этого произвольно ввёл в свои уравнения невероятно малую величину – космическое отталкивание: . Влияние столь малого фактора должно было проявляться только на огромных просторах Вселенной, так как он не зависит от массы тел, а определяется расстояниями между ними .

Ускорение, сообщаемое этим отталкиванием объектам, в стационарной модели должно уравновешиваться ускорением, создаваемым притяжением, то есть отличаться лишь знаком.

Для описания свойств расширяющегося мира каждой произвольной точке (для Вселенной точка – галактика) приписывают координату r(t) – расстояние от наблюдателя в любой заданный момент времени t, если известно расстояние r₀ в момент времени t₀. Затем вводят масштабный фактор, равный 1 в момент наблюдения, так что r(t) = r₀R(t). Это значит, что расстояние до заданной точки в любой момент времени равно произведению её расстояния и масштабного фактора на данный момент. При увеличении времени от t до t+dt  расстояние до галактики изменится, и  dr = r(t+dt) – r(t) = r₀dR, где dR = R(t+dt) – R(t)dt. Скорость взаимного удаления двух галактик находится как  dr/dt = V = r₀(dR/dt). Если выразить из формулы  r(t) = r₀R(t) и подставить r₀ в выражение скорости, то получим:  V = (dR/dt)(r/R). Это выражение соответствует закону Хаббла, и тогда H = (1/R)(dR/dt). Отсюта можно заключить, что постоянная Хаббла Н в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной. Время t = 1/H, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов в разных частях Вселенной. Таким образом, построить модель Вселенной значит определить зависимость масштабного фактора R(t) от времени: (dR/dt)² = (8p/3)GR²r - k + LR²/3. (1)

Величина, обратная постоянной Хаббла Н, имеет размерность времени. Можно предположить, что за это время вещество, из которого состоят галактики, «разлетелось» из точки наблюдения. Значит, это время прошло с того момента, когда все вещество галактик было сконцентрировано в одной точке. Наблюдаемые скорости разлета достигают сотен тысяч километров в секунду, поэтому в момент «начала» должен был произойти взрыв, породивший современную Вселенную. Исправив значение постоянной Хаббла и взяв его как Н = 75 км/(с Мпк), ученые считают, что «сегодняшнее» время жизни Вселенной колеблется от 10 до 20 млрд. лет.

Советский ученый Фридман детально исследовал уравнения Эйнштейна и показал, что теория Эйнштейна, как и теория Ньютона, допускает в качестве математических моделей и развивающиеся системы – коллапсирующие. Стабильная Вселенная Эйнштейна является нестабильной при малейшем возмущении. Фридман выделил три возможности, соответствующие трем моделям Вселенной: 1) k = 0; расширяющееся евклидово пространство ; 2) k > 0; пульсирующая модель, пространство неевклидово (сферический мир); 3) k < 0; монотонно расширяющееся неевклидово пространство (гиперболический мир).

В первом случае при L = 0 уравнение, описывающее изменение масштабного фактора со временем имеет точное решение R(t) = (6Gpr(t₀)^1/3t^2/3 (модель Эйнштейна – де Ситтера). В ней начавшееся расширение может продолжаться неограниченно. В этой стационарной Вселенной, модель которой развивал Ф. Хойл, плотность, несмотря на расширение, поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля».

Во втором случае при отрицательных космологических постоянных, то есть при наличии дополнительной силы притяжения, кроме ньютонова тяготения, в некоторый момент масштабный фактор становится равным нулю, и с  t = 0 он начнет возрастать, достигнет максимума и снова уменьшится до нуля. Если выбрана закрытая модель пространства и лямбда-член равен некоторой критической величине, определяемой плотностью вещества во Вселенной, то масштабный фактор растет от нуля до определенного максимума, достигаемого в далеком будущем. Если космологическая постоянная становится больше этого критического значения, то масштабный фактор растет неограниченно, хотя и медленно.

В замкнутой Вселенной и при равенстве космологического члена своему критическому значению возможны два решения: стационарный мир Эйнштейна R(t) = const и модель Эддингтона – Леметра, в которой R(t) = R₁  в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно растет в будущем.

Оказывается, что для выбора модели Вселенной не достаточно определения средней плотности вещества. Существует предположение, что межгалактическое пространство может быть заполнено водородом с температурой 1 млн. градусов. Вероятно, существуют и ещё какие-то массы во Вселенной, пока не обнаруженные (проблемы скрытой массы).

Бельгийский ученый и аббат Ж. Леметр связал релятивистские модели с данными астрономических наблюдений и сделал следующее предположение: коль скоро разбегание галактик соответствует расширению пространства, то при проектировании на прошлое нужно представить уменьшение объема и увеличение плотности. Эти рассуждения были привязаны к «началу», то есть к акту творения мира. Первоначальная плотность вещества, называемая Леметром протоатомом, достигала 10⁹⁶ кг/м³, и это значение плотности определило границы применимости понятий пространства и времени. Поэтому невозможно говорить ни о том, сколько длилось это состояние, ни о том, что было до него.

Тема 4. Квантовая механика

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые; так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е = hу, ставшим впоследствии знаменитым (где hу — квант энергии, у — частота).

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом,

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р. Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А. X. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту у (Е = hу).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн «отбросил» в гораздо более обширной области физических явлений.

Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью v, соответствует волна, λ= h/mν Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его.

Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности».

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тема 5. Термодинамика, кинетическая теория тепла, равновесная статистическая физика и физическая кинетика.

Классическая термодинамика XIX века изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» — сотрудничество, совместное действие).

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур.

Энтропия — это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества. Она характеризует результат.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности:

энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».

Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира. С тех пор механистические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было в конце концов отказаться от признания особой, универсальной роли механики. Механистическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новому пониманию физической реальности.

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового.

Совокупность физических тел, изолированную от взаимодействия с другими телами, называют  изолированной термодинамической системой. Состояние термодинамической системы полностью описывается некоторым числом независимых физических параметров.

Одним из важнейших параметров термодинамической системы является её внутренняя энергия. Внутренней энергией системы называют ту часть её полной энергии, которая определяется собственными параметрами этой системы. Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии хаотичного теплового движения составляющих его частиц (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая и потенциальная энергия тела как целого во внутреннюю энергию не входит.

Вычислить внутреннюю энергию тела путем подсчетов энергии всех взаимодействующих между собой многих миллиардов частиц нет никакой практической возможности, так как законы зависимости сил взаимодействия атомов и молекул от расстояния между ними сложны, во взаимное расположение частиц в результате теплового движения непрерывно изменяется. Также беспорядочно меняется и кинетическая энергия отдельных частиц. Простое решение эта задача имеет для случая идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму только кинетических энергий теплового движения его частиц, поскольку взаимодействием частиц у идеального газа можно пренебречь. Средняя кинетическая энергия молекул такого газа равна 3/2 kT. Поэтому внутренняя энергия газа, состоящего из N молекул: U =

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от одного параметра – его абсолютной температуры.

Внутренняя энергия изолированной термодинамической системы может изменяться двумя способами: при совершении работы и при теплообмене.

Количеством теплоты называется энергия, передаваемая путем теплообмена. Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

Изменить внутреннюю энергию тела можно, приведя его в соприкосновение с другим телом, имеющим более высокую или низкую температуру с более холодным телом. При этом горячее тело передает часть своей энергии более холодному. В результате температура тел выравнивается. Но так как при этом не перемещаются ни сами частицы, ни их части, то работа при этом не совершается. Значит, внутреннюю энергию, теряемую телом при изменении его температуры без изменения объема, нельзя использовать для совершения механической работы.

Работа – это макроскопический процесс; она совершается только при упорядоченном перемещении тела, когда все его частицы движутся вместе в одном направлении. Следовательно, чтобы за счет внутренней энергии тела можно было совершить работу, необходимо каким-либо способом хотя бы частично преобразовать хаотическое движение его частиц в упорядоченной движение.

Для этого можно использовать газ, находящийся в цилиндре с поршнем. Если давление газа под поршнем больше давления окружающего воздуха, то за счет энергии беспорядочного движения молекул газа произойдет перемещение поршня в цилиндре. Газ расширится, его объем увеличится, и при этом сила, с которой газ действует на поршень, совершит положительную работу. Таким образом, сила давления при расширении газа совершает работу за счет его внутренней энергии.

Тема 6. Синергетика.

Появление синергетики в современном естествознании, оче­видно, инициировано, подготовкой глобального эволюцион­ного синтеза всех естественно-научных дисциплин. Эту тен­денцию в немалой степени сдерживала разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи, изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. ха­ос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием об­разцовой физической дисциплины — равновесной термодинамики.

Эта наука занимается процессами взаимопревращения раз­личных видов энергии. Ею установлено, что взаимные превра­щения тепла и работы неравнозначны. Работа может полно­стью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально не­возможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направ­ленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к бо­лее горячему».

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то од­носторонность, однонаправленность перераспределения энер­гии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было вве­дено новое понятие — энтропия. Под энтропией стали пони­мать меру беспорядка системы. В общем случае энтропия является мерой внутреннего превращения энергии в системе. С.И.Покровский в начале века характеризовал уровень организованности объектов живой и неживой природы по скорости приращения энтропии: чем больше скорость приращения энтропии, тем выше уровень организованности объекта и тем большую работу может совершать объект. Однако вычислять приращение энтропии умели только для тех частных случаев, когда ее можно было истолковать как меру хаоса.

Более точная формулировка вто­рого начала термодинамики приняла такой вид: «При самопро­извольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает». Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состоя­ние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое состояние системы, или состояние термоди­намического равновесия, при котором движение частиц хао­тично. Максимальная энтропия означает полное термодинами­ческое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направлен­ность процессов преобразования энергии в изолированных сис­темах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равно­мерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная — замкнута, то ее ждет именно такая не­завидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термоди­намика, и возвратится.

Возникает, правда, вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как же она могла возник­нуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состоя­ния? Однако этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной даже не обсуждался. В это время единст­венным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый этой теорией процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от тер­модинамического равновесия и хаоса. Такая явная «нестыков­ка» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение ор­ганизации материальных объектов — от элементарных и суб­элементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случай­ным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечиво­сти общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидатель­ной тенденции. Материя способна осуществлять работу и про­тив термодинамического равновесия, самоорганизовываться, и самоусложняться.

Таким образом, синергетика претендует на открытие не­коего универсального механизма, с помощью которого осуще­ствляется самоорганизация как в живой, так и в неживой при­роде. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

а) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться вещест­вом или энергией с внешней средой;

б) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики: это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило.

Сложнее со всей Вселенной в це­лом — если считать ее открытой системой, то что же может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой систе­мы наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому со­стоянию.

2. Выход из критического состояния одномоментно, скач­ком и переход в новое устойчивое состояние с большей степе­нью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее ус­тойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифур­кации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай. Но после того, как «выбор сделан», и система перешла в каче­ственно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволю­ции системы, но какой именно из них будет выбран случаем — однозначно спрогнозировать нельзя.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гид­родинамике явление, названное ячейками Бенара. При подог­реве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоуголь­ной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает не­которая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и ни­какого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жид­кости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движе­ние, образующее четко выраженные структуры в виде цилинд­рических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.

Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистиче­ской механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельст­вует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоор­динированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совер­шенно хаотическом движении. Создается впечатление, что ка­ждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические ста­тистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не рас­падается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникнове­ние таких структур нарастающей сложности — не случайность, а закономерность.

Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), фор­мирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур — все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений от­крывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:

• Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конст­руктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

• Линейный характер эволюции сложных систем, к кото­рому привыкла классическая наука, не правило, а, ско­рее, исключение; развитие большинства таких систем но­сит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

• Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случай­ность — не досадное недоразумение, она встроена в ме­ханизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором.

Синергетика родом из физических дисциплин — термоди­намики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естество­знании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синерге­тике видят одну из важнейших составляющих современной на­учной картины мира.

Тема 7. Основные понятия химии.

Химия — это естественная наука, изучающая химические превращения материи и исследующая условия, при которых эти превращения происходят. Химия занимается также физическими явлениями природы, сопровождающими химические изменения материи, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части материи и их применение на практике.

Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV веках, зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р. Бойль дал первое научное определение понятия "химический элемент".

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакциях (М. В. Ломоносов, А. Л. Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие "молекула". Атомно-молекулярные представления утвердились в 60-х годах XIX века. В этот период А. М. Бутлеров создал теорию строения химических соединений, а Д. И. Менделеев открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). С конца XIX — начала XX века важнейшим направлением химии стала разработка теоретических основ науки (электронная теория), изучение закономерностей химических процессов.

В современной химии постепенно оформились самостоятельные области химической науки: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и другие ответвления науки. На стыке химии и других областей знания возникли биохимия, агрохимия, геохимия. На базе законов химии появились такие технические науки и практические области деятельности человека, как, например, металлургия и химическая технология. Химия в XX веке сложилась как активный элемент сверхсложной системы «общество – природа», представляющий собой открытую систему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.

Вещество. Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Разные изделия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, и их вещество будет одинаковым. Под веществом  понимается чистая материя, без примесей. Под материалом - вещество того же наименования, полученное в реальных условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

Физическим изменением вещества называют такое изменение, при котором внутреннее строение, состав и свойства вещества не подвергаются изменению.

Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух веществ (химической реакции) происходят изменения не только физических свойств прореагировавших веществ, но меняется их химический состав и структура.

Химия является не просто суммой знаний о веществах, но высоко упорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

 «Высшую цель истинной науки, - писал Д. И. Менделеев, -  составляет не просто эрудиция, т. е. описание и знание, … а постижение неизменяющегося среди переменного и вечного между временным».   Или   еще:   «Отыскать   же   неизменное - общее в изменяемом и частном составляет основную задачу no-знания».

Так что же в таком случае является неизменным, вечным и общим в химии? Постоянно указывая во всех своих произведениях, посвященных развитию науки, на единство теория и практики, Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, от биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука она является одновременно и наукой, и производством. Химические заводы Д. И Менделеев рассматривает как «лабораторию больших размеров».

Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д., объединяет одна - единственная непреходящая - главная задача химии, - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Но это - производственная задача, и чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ производить другие, т. е. осуществлять качественные превращения веществ. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят свойства. Чтобы решить названную производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.

Основанием химии, или, по Менделееву, «единым, неизменным и общим в изменяемом и частном», выступает двуединая проблема—получение веществ с заданными свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность):

Это и есть основная проблема химии. Это и есть системообразующее начало данной науки.

Вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего только четыре способа решения.

От чего, от каких факторов зависят свойства вещества, а они зависят от четырех факторов: 1) от его элементного и молекулярного состава, 2) от структуры его молекул, 3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции, и 4) от высоты химической организации вещества. Этот последний, четвертый, фактор открыт совсем недавно; он оказался в высшей степени важным в практическом отношении и очень интересным в теоретическом плане.

 Ранний способ решения вопроса о происхождении свойств вещества.  Он не входит в число четырех названных способов, потому что оказался совершенно бесплодным в практическом отношении, хотя и просуществовал многие сотни лет с древности и до XVII столетия.

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Р. Бойля (1627— 1691). Преобразования в области производства, происшедшие в эпоху Возрождения, наряду с прогрессивными изменениями в экономической и политической жизни, вызвали коренные преобразования и в области естествознания. Одним из таких преобразований явилось низвержение бесполезного для практики способа решения проблемы генезиса свойств и появление нового способа с принципиально новым – экспериментальным -  подходом к изучению Природы.

Исследования Р. Бойля показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Вывод этот явился принципиально новым потому, что: 1) он отверг господствовавшие представления об элементах-качествах, о том, что свойства определяются свойствами-стихиями; 2) он утвердил новое представление о химических элементах как простых далее неразложимых телах, из которых составлены все смешанные тела, т. е. химические соединения; 3) на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений атомизма Демокрита и элементаризма Аристотеля; этой общностью стала идея о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов молекула.

Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств вещества стал выражаться посредством схемы:

СОСТАВ  -  СВОЙСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний.

Возникшее учение о составе веществ получило бессрочную путевку в жизнь. Оно продолжало свое развитие и после того, как стали появляться новые уровни развития химических знаний. Учение о составе существует и сегодня, только оно теперь уже представляет собой часть химии, входящую в иерархическую Систему современной химии.

Монопольное положение учения о составе веществ продолжалось только до 1820—1830-х годов. В эти годы мануфактурная стадия производства с ее ручной техникой и ограниченным кругом сырья сменилась фабричной стадией, опирающейся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов (углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор). Объяснения необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе были найдены в явлениях, получивших название «изомерия» и «полимерия». Стало совершенно ясным то положение, что свойства веществ, а следовательно и их качественное разнообразие, обусловливаются не только их составом, но еще структурой их молекул. Появился новый способ решения проблемы генезиса свойств. Появилось вместе с тем отграничение понятий «свойства» и «функция, или реакционная способность». В новое понятие «функция» и «реакционная способность» включались представления о химической активности отдельных фрагментов молекулы - атомов, атомных групп или даже отдельных химических связей.

Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название «структурная химия».

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии часто называют «триумфальным маршем органического синтеза». На те требования развития производства, которые вызвали появление нового способа решения основной проблемы химии, химики - исследователи и производственники ответили получением всевозможных азокрасителей для текстильной промышленности, самых различных препаратов для фармации, искусственного шелка для производственных и бытовых нужд. На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ.

Под влиянием новых требований производства, возник следующий – третий - способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах - обеспечивающий экономически приемлемую производительность их.

Этот способ послужил основанием нового – третьего -  уровня химических знаний - учения о химических процессах, которое неизмеримо более точно и полно отражает объект химии. Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

В 1960 - 1970-х годах появился следующий – четвертый - способ решения основной проблемы химии, открывающий пути использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в настоящее время. Этот способ лег в основание четвертого и последнего уровня развития химических знаний, который назван эволюционной химией. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем. В сущности речь идет об использовании химического опыта живой природы; это -  своеобразная биологизация химии.

Система химии - это единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не порознь друг от друга, но в тесной взаимосвязи. Они дополняют друг друга. Под Системой химии также подразумевается не просто единство всех химических знаний, но их логическая упорядоченность, соподчиненность (или субординация), их объединение в концептуальные системы, т. е. в подсистемы, которые находятся между собою в отношениях иерархии, потому что каждая концептуальная система - это определенный уровень химических знаний. Решение основной производственной задачи химии -  получение веществ с заданными свойствами осуществляется: на 1 уровне с учетом лишь одного фактора - изменения состава, на 2 уровне - с учетом двух факторов - изменения состава и структуры, на 3 уровне - многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических, гидродинамических факторов), на 4 уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы. Строго закономерное последовательное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения Системы химии, которая считается логикой этой науки.

Представления о концептуальных системах химии позволяют увидеть все поле химии как бы с высоты птичьего полета. Они позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства новых материалов, каковы ее ближайшие перспективы, на какие ее теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ.

Важность представлений о Системе химии лучше всего охарактеризовал тот ученый, кто начал создавать эту Систему,— Д. И. Менделеев. Он был очень точен в своей характеристике и поэтому не стеснялся употребить крайне резкие слова, отражающие границу между собиранием фактов, т. е. суммативным набором знаний, и системой науки.

«Как там ни рассуждайте и не критикуйте историю, - писал он, - а людскому уму мало одних частностей: необходимы сперва систематические обобщения, т. е. классификация, разделение общего; потом нужны законы, ... гипотезы и теории... Если еще нет этих обобщений, знание еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым». Науки нет в частностях; она в общем, в целом, в слиянии частностей, в системе. «Одно собрание фактов... не дает еще ни ручательства за дальнейшие успехи, ни даже права на имя науки в высшем смысле этого слова». «Случайности мало дали и дадут точному знанию, которое прежде всего составляет систему».

Так к чему же привели системные устремления Д. И. Менделеева? Ответ очевиден: во-первых, к открытию Периодического закона и созданию Периодической системы химических элементов, и, во-вторых, к принципиально новому «плану здания химии», которое тогда, в 1860—70-х годах, состояло только из первого этажа - изучения о составе веществ. Но этот новый план позволил коренным образом перестроить всю систему химического образования и создать лучший в мире учебный курс химии.

Несмотря на то, что до середины XIX столетия объем научной информации был не столь уж велик, как в 1860—1870 годы, учебники по химии были тогда необыкновенно объемисты и преследовали цель изложения абсолютно всей химии, всего запаса химических знаний, накопленных в период от Бойля до создания основ химической атомистики.

К середине XIX века появилось настоятельное требование положить конец беспределу суммативного изложения химических знаний. Возникла объективная необходимость обращения к логике как науке о познании.

«Без определенного философского воззрения на науку можно составить прекрасное руководство (Handbuch), - писал Д. И. Менделеев, - но весьма трудно или даже почти невозможно составить такой учебник (Lehrbuch), который бы достигал своей цели.

И вот в 1868—1871 гг. появился учебник Д. И. Менделеева -  «Основы химии», ставший примером построения курса химии именно по такому принципу. Весь трудно обозримый массив сведений о сотнях тысяч известных к середине XIX в. химических соединений, о способах их получения и применения, т. е. о «частностях», оказалось возможным как бы спрессовать и отразить в форме единой логической стройной системы, т. е. представить рельефнее, а в какой-то мере даже полнее - глубже, чем в многотомных учебниках.

Если подвергнуть обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложению (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 112 таких веществ, их называют простейшими веществами, или химическими элементами.

Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом.

Химическую реакцию анализа упрощенно можно выразить уравнением: А = В + С, где А - исходное сложное вещество, а В и С - полученные вещества (элементы).

Все известные на сегодня элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д. И. Менделеевым, расположены в Периодической системе элементов Менделеева.

 Элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Вещества в обычных условиях могут быть твердыми, жидкими и газообразными (агрегатное состояние). Установлено, что в составе земной коры, морской воды, атмосферы содержится примерно:

49,5 % кислорода    2,63 % натрия 25,3 % кремния      2,4 % калия 7,5 % алюминия     1,93 % магния 5,08 % железа       0,87 % водорода 3,39 % кальция      менее 1 % остальных.

Простейшие вещества являются основой всей живой и неживой материи, а следовательно, и всей Вселенной.

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. являются веществами сложными. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие).

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества. Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных находящихся на очень малом расстоянии друг от друга частиц, называемых молекулами. Каждая молекула, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц - атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов.

Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные - молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции - изменяются.

С открытием радиоактивности в самом конце XIX века представление о неделимости атома изменилось. Было доказано, что атомы веществ имеют сложное строение и что все химические изменения вызываются преимущественно действием электрических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных частиц - протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.

Согласно электронной теории строения вещества атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы обращаются электроотрицательно заряженные электроны ("электронная оболочка"), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным - заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т. е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зрения, изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Изотопы применяют в ядерной технике как конструкционный материал, в качестве ядерного горючего, в термоядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко используются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т. д.

Учение о строении атома сыграло и играет колоссальную роль в химии и физике XX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория периодической системы Д. И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заряда атомного ядра. Другой важной количественной характеристикой атома является его масса. Атомная масса - относительная величина. В качестве единицы атомной массы используют 1/12 часть массы природного углерода. Третьей важной количественной характеристикой является радиус орбит электронов от ядра до максимальной плотности электронов на отдельных орбитах атома. Все эти характеристики являются основой теоретических и практических расчетов в химии.

Тема 8. Структура биологических наук.

Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе.

Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни: креационизм – божественное сотворение живого; концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Согласно креационизму, возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному.

Теория спонтанного зарождения жизни существовала в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные «частицы» вещества содержат некое вещества содержат некое «альтернативное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса – в воде, у Анаксагора – в воздухе.

Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения.

С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение – зачаток нового рождения. Идеи самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк.

В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви – это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое – из живого. В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризации.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез.

Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.

Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе.

В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция самой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время ее существования все время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, ее температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной из-за активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующего грунта.

20 век привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 году в книге Александра Ивановича Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни – результат длительной эволюции на Земле – сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.

Согласно теории Опарина, атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие – не удерживались пока недостаточно плотной планетой, тогда как их более тяжелые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись углерода, метан). Вода оставалась в газообразном состоянии, пока температура не упала ниже 100С .

Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно, где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.

Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные, подвижные, низко электропроводные, студенистые, насыщенные водой. Соединения углерода с водородом, кислородом и другими элементами обладают замечательными каталитическими, строительными, информационными и иными свойствами.

Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не смогла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.

Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путем эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический».

Дарвиновская теория предполагает, что человек — это биологический вид, однако Чарльз Дарвин считал, что одним естественным отбором происхождение человека из обезьяны нельзя объяснить; помимо естественного отбора, считал он, необходимо привлечь теорию полового отбора (что хорошо согласуется с данными современной генной теории). Дарвиновская теория опирается на сравнительно-анатомические данные (сходство облика человека и обезьяны, атавизмы), изменчивость человека в пределах различных человеческих рас, факты эмбриологии, наконец, палеонтологические находки переходных форм от обезьяны к человеку (австралопитек, питекантроп, синантроп и т. д.). Самое уязвимое место этой теории -— отождествление человека с его внешним анатомическим обликом. Дарвиновская теория объясняет многое, но не может объяснить, как формировались сознание и разум человека, без которых "гомо сапиенс", т. е. "человек разумный", не является человеком. Естественно, этого не может объяснить и теория мутаций, если только не предположить, что в результате мутаций возникло сознание. Именно с происхождения сознания (духа) начинает Библия, утверждая, что человек был создан Богом по "его образу и подобию", т. е. изначально наделен разумом. Однако творцы Библии не занимались специально проблемой происхождения человека и поэтому не объяснили, как согласовать эту точку зрения с фактами науки, палеонтологическими находками, просто со здравым смыслом.

Все это говорит о том, что пора предложить другой сценарий (концепцию) происхождения человека.

Переходная форма. Вспомним, как развивается ребенок примерно до 2—3 лет. В чем состоит его развитие? Не в том ли, что он адаптируется к коммуникации с матерью и отцом, входит в эту коммуникацию, "специализируется" в ней? Ребенок учится фиксировать свой взгляд на "другом" (его руках, лице, глазах,

фигуре), учится соотносить произнесенное слово (сначала материнское, затем свое) с предметами и действиями, учится действовать согласованно (подчиняться взрослому, соединять свои усилия и действия с его усилиями и действиями). Именно в этом процессе адаптации-научения формируется значение слов и других знаков и складывается воображение ребенка, когда он может помыслить (представить) предмет, отвечающий слову и знаку. Попробуем и в филогенезе найти "некие персонажи и процессы", аналогичные онтогенетическим "Коммуникации" и "Родителям".

Перенесемся для этого мысленно в те доисторические эпохи, когда сообщества обезьян, которых мы называем человекообразными, попали в какие-то необычайные, экстремальные для выживания условия (например, им пришлось спуститься с деревьев, искать пищу на открытых пространствах, защищаться от хищных зверей, более широко, чем обычно, использовать палки и камни). Можно предположить, что в этих условиях выживали лишь те сообщества, которые начали осуществлять "парадоксальное поведение". Чтобы пояснить, что это такое, обратимся к рассказу Э. Сетон-Томпсона "Тито" о маленькой смелой самке койота. За Тито гнались борзые. "Через минуту собаки должны были настичь ее и разорвать. Но вдруг Тито остановилась, повернулась и пошла навстречу собакам, приветливо помахивая хвостом. Борзые особенные собаки. Они готовы догнать и растерзать всякого, кто бежит от них. Но тот, кто не убегает, и спокойно глядит им в глаза, сразу перестает быть для них врагом. Так случилось и теперь. Разогнавшись, борзые промчались мимо Тито, но сейчас же вернулись смущенные. Борзые отказывались нападать на зверя, который вилял хвостом и не желал убегать".

Представим себе теперь такую ситуацию. Сообщество человекообразных обезьян столкнулось с хищниками — тиграми, львами, пещерными медведями. Вожак обезьян замечает, что бежать некуда: справа и слева отвесные скалы, позади буйволы. И вот он, подобно Тито, на миг как бы "помешался": вместо того чтобы подать сигнал (крик) тревоги и бегства, издает прямо противоположный -— "все спокойно, не двигаемся". И что странно, хищники, пораженные необычным поведением стаи обезьян, ретировались, ушли в поисках более "нормальной" пищи.

В нормальном, обычном поведении сигналы являются частью (элементом) события. Сигнал тревоги вовсе не означает саму тревогу, это именно первая часть сложного поведения (события) животного. В парадоксальном же поведении в психике обезьян происходит сшибка двух событий: с одной стороны, они видят реальную  опасность, с другой — вынуждены следовать сигналу вожака, сообщающему, что опасности нет. В подобных парадоксальных ситуациях, которые были в те времена массовыми, обычными, животное должно как бы "выйти из себя", представить привычное событие в форме другого, часто противоположного.

В результате сигнал перестает восприниматься как часть события, он соотносится теперь с новым поведением (ситуацией, предметом), сохраняя, однако, связь со старыми. Дистанция, напряженность между этими тремя элементами (сигналом, новой ситуацией и старыми ситуациями) в конце концов разрешается так, что появляется знак.

По механизму процесс формирования знака можно представить так. Должна возникнуть связь знаковой формы с определенным предметом (ситуацией), в данном случае сигнал "спокойно" вступает в связь с ситуаций опасности. Необходимость (и эффективность) такой связи выясняется задним числом. Важно, что эта связь — не органическая (природная), а так сказать, "социальная": она обусловлена коммуникацией и волей субъектов (властью вожака). В психологическом плане необходимое условие формирования связи между знаковой формой и предметом — активность субъекта, направленная на перепредставление ситуации (так, ситуацию опасности нужно было понять как спокойное, безопасное событие).

Сигнал теперь — не сигнал, а знак новой ситуации, обозначающий, выражающий некоторое событие. И контекст у знака другой — не часть события, а коммуникация. Теперь члены сообщества напряженно следят, какой сигнал-знак подаст вожак, а вожак обозначает знаком всякую новую парадоксальную ситуацию. Начиная с этого периода сигнал-знак влечет за собой представление определенной ситуации, в которой назревает новое поведение. В коммуникации действительность удваивается: один раз она сообщается вожаком, издающим сигнал-знак, другой раз реализуется в конкретном означенном поведении.

Интересно, что коллективные, совместные действия с естественными орудиями (камнями, палками, костями животных и т. д.) также являются парадоксальным поведением. Эффект этих действий для членов сообщества был неожиданным и странным: вместо одного события получалось другое: удавалось добыть пищу, прогнать хищников, изменить в благоприятную сторону угрожающую ситуацию. Можно предположить, что сигналы, запускавшие подобные совместные действия, тоже становились знаками, однако не только нового поведения, но и связанных с ним орудий-предметов.

Именно так, судя по всему, и формируются коммуникация, знаки естественного языка (слова), воображение и память, помогающие создавать знаки и означать с их помощью различные ситуации и предметы. Чем чаще первобытные особи прибегали к парадоксальному поведению, тем больше сигналов превращалось в знаки и тем эффективнее становилось их поведение. В конце концов процесс логически приходит к своему завершению: парадоксальное поведение становится основным (так сказать, нормальным), полностью вытесняя старые формы сигнального поведения. Ситуации, действия или предметы, почему-либо не получающие означения, не существуют теперь для сообщества вообще. Система знакового поведения все время усложняется: формирование знаков и употребление их порождает необходимость в следующих знаках, эти —- в других, и т. д.

А что происходит с обезьянами, вставшими на путь парадоксального и знакового поведения? Они вынуждены адаптироваться к новым условиям, меняться. Выживают лишь те особи, которые начинают ориентироваться не на сигналы и события, а на знаки, те особи, для которых "временное помешательство" на знаковой почве (т. е. воображение и представление) становятся нормой жизни, те, которые научаются работать со знаками (создавать их, понимать и т. д.). Именно адаптация к новым условиям резко меняет естественные процессы развития обезьян как биологического вида. Формируются новые типы движений конечностей, новые типы ощущений, новые действия и операции в психике. Необходимость адаптироваться к коммуникации, работать со знаками и орудиями, действовать совместно трансформирует биологическую субстанцию обезьяны, создавая на ее основе существо переходной формы. Это уже не обезьяна, но еще и не человек, а особое меняющееся, адаптирующееся существо, претерпевающее метаморфозы.