2

2.8 Каковы структурные уровни организации материи, чем они характеризуются? Что такое «системный подход» и каковы его основные понятия в современной естественно-научной картине мира?

Материя, как объективная реальность, характеризуется бесконечным количеством свойств. Материальные вещи и процессы конечны и бесконечны, поскольку их локализованность относительна, а их взаимная связь – абсолютна, непрерывна (внутри самих себя однородна) и прерывна (характеризуются внутренней структурой): всем материальным объектам присуща масса (будь то масса покоя для любого вещества или масса движения для полей) и энергия (потенциальная или актуализированная). Важнейшими ее свойствами, ее атрибутами, являются пространство, время и движение.

Пространство характеризуется протяженностью и структурностью материальных объектов (образований) в их соотношении с другими образованиями.

Время характеризуется длительностью и последовательностью существования материальных образований в их соотношении с другими материальными образованиями.

Основными свойствами пространства являются: протяженность, однородность, изотропность (равноправность всех возможных направлений), трехмерность, а специфические свойства времени: длительность, однородность (равноправие всех моментов), одномерность, необратимость.

Свойства пространства и времени проявляются всякий раз особым образом в микромире, макромире и мегамире, в живой природе и в социальной действительности.

Объективная непрерывность пространства и времени и их прерывность обусловливают движение материи, которое является основным способом ее существования. Движение материи - абсолютно, ее покой - относителен.

Системный подход или системное исследование материальных объектов предполагает установление способов описания отношений и связей (структуры) множества элементов. Но что особенно важно - выделение тех из них которые являются системообразующими, т. е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения - последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Значит отношения и связи в системе при определенном ее представлении сами могут рассматриваться как ее элементы, подчиняющиеся соответствующей иерархии. Это позволяет строить различные, не совпадающие между собой, последовательности включения систем друг в друга, описывающие исследуемый материальный объект с разных сторон.

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами. Применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом:

Неорганическая природа	Живая природа	Общество
1.Субмикроэлементарный	Биологический макромолекулярный	Индивид
2.Микроэлементарный	Клеточный	Семья
3. Ядерный	Микроорганический	Коллективы
4.Атомарный	Органы и ткани	Большие социальные группы (классы, нации)
5. Молекулярный	Организм в целом	Государство (гражданское общество)
6. Макроуровень	Популяция	Системы государства
7. Мегауровень (планеты, звездопланетные системы, галактики)	Биоценоз	Человечество в целом
8. Метауровень (метагалактики)	Биосфера	Ноосфера

4.8 Что изучает термодинамика? Что такое «термодинамическая система», «равновесное состояние»? определить понятия «теплоёмкость» и «удельная теплоёмкость». Как по ним можно судить о внутренней структуре вещества?

Термодинамика – это раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода между этими состояниями.

В термодинамике рассматриваются термодинамические системы. Термодинамическая система – макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими параметрами (термодинамическими параметрами). Для этого термодинамическая система должна состоять из достаточно большого числа частиц. Такие макроскопические объекты могут обмениваться энергией как друг с другом, так и с внешней средой, т. е. телами и полями, которые являются внешними по отношению к данной системе.

Для описания состояния термодинамической системы вводятся физические величины, которые называются термодинамическими параметрами или параметрами состояния системы. Обычно термодинамическими параметрами выбираются давление, удельный объём и температура.

Понятие температуры имеет смысл для равновесных состояний термодинамической системы. Равновесным состоянием (состоянием термодинамического равновесия) называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени (стационарное состояние), причём стационарность состояния не связана с процессами, происходящими во внешней среде. Равновесное состояние устанавливается в системе при постоянных внешних условиях и сохраняется в системе произвольно долгое время. Во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, температура одинакова. Если происходит соприкосновение двух тел с различной температурой, то путём теплообмена происходит передача внутренней энергии от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекращается, когда температуры обоих тел становятся одинаковыми.

Теплоёмкостью называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1⁰С или 1 К. Более строгое определение теплоёмкости – это отношение количества теплоты, полученного телом (веществом) при бесконечно малом изменении его состояния в каком-либо процессе, к вызванному им приращению температуры:

;

Значение теплоёмкости С зависит от массы тела, его химического состава, термодинамического состояния и процесса, в котором сообщается теплота δT.

Удельной теплоёмкостью с называется теплоёмкость единицы массы вещества:

;

где М – масса тела.

5.8 Охарактеризовать дискретность и непрерывность материи. В каких явлениях проявляются корпускулярные свойства света?

Наиболее общее понятие непрерывности пространства и времени как всеобщих форм бытия движущейся материи совпадает по своему смыслу с понятием абсолютности пространства и времени. А именно, пространство и время, будучи всеобщими, непреложными формами существования движущейся материи, иначе говоря, абсолютными, являются в этом смысле и непрерывными, ибо они непрерывно, т. е. всегда и везде, без каких-либо исключений, сопровождают движущуюся материю, являясь коренными условиями её существования.

Понимание непрерывности пространства и времени позволяет обнаружить относительный характер выделения двух различных аспектов их непрерывности – непрерывности как континуальности пространства и времени и непрерывности как сохраняемости качества пространства и времени в рамках определённой меры. Действительно, изменение соотношения между противоположностями, составляющими источник развития данной материальной системы, может привести к качественному изменению состояния этой системы и её структурных особенностей, что в первую очередь не замедлит отразиться на структурной особенности пространственно-временной формы, соответствующей новому качественному состоянию рассматриваемой материальной системы. Другими словами, изменение соотношения между противоположностями, составляющими источник развития данной материальной системы, может привести к тому, что пространственно-временная форма этой системы изменит свою качественную определённость, понимаемую как некоторое соотношение между протяжённостью – длительностью и структурностью – сменяемостью моментов пространства – времени. Однако до тех пор, пока не изменилось состояние материальной системы, никаких качественных изменений пространственно-временной формы этой системы произойти не может. В силу того, что протяжённость пространства и длительность времени выражают их непрерывность, свойства пространственно-временной формы, характеризующие их структурные особенности, в частности свойство непрерывности (в смысле континуальности), некоторым образом связаны с непрерывностью этой же формы в смысле диалектического закона меры.

Пространство и время обладают свойствами структурности, которые определяются законом связи и изменения сосуществующих материальных объектов и их структурных элементов. Вместе с тем, сосуществующие материальные объекты определяют различные и в этом смысле относительные пространственно-временные формы их существования. Точно также структурные элементы любого отдельного материального объекта определяют качественно различные и в этом смысле относительные пространственно-временные формы их существования. Следовательно, относительность пространственно-временных форм сосуществующих материальных объектов или структурных элементов «одиночного» объекта из этой совокупности есть иное проявление их структурности. Но структурность пространства и времени в соотношении соответственно с протяжённостью и длительностью выражает качественную определённость последних, которая сохраняется неизменной в рамках некоторой меры. А это означает, что дискретность пространства и времени, понимаемая в смысле их относительности, некоторым образом связана с законом меры.

Связь представлений о прерывности пространства и времени с качественной изменяемостью в рамках закона меры остаётся справедливой и в случае конкретных пространственно-временных форм. Подобно тому, как невозможно понять сущность вопроса об относительности пространства и времени в отрыве от правильного понимания относительности состояний движущейся материи, точно также нельзя решать вопрос и о прерывности конкретной пространственно-временной формы вне связи с прерывностью самого материального объекта и прерывностью процесса его движения. Любой конкретный материальный объект обладает соответствующей ему пространственно-временной формой. Находясь в движении (понимаемом в широком смысле), этот объект обязательно качественно и количественно изменяется в рамках присущей ему меры. И в этом смысле он прерывен. Прерывность же любого конкретного материального объекта «сопровождается» и прерывностью (в смысле несохраняемости) структурных особенностей соответствующей пространственно-временной формы его существования. Точно также любой материальный процесс, поскольку он является процессом, сохраняясь как процесс, неизбежно связан с моментами изменения. И в этом смысле он является прерывным. Прерывности же материального процесса соответствует и прерывность его пространственно-временной формы.

Корпускулярные свойства света. Такие явления, как интерференция и дифракция света убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать только на основе квантовых представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов.

Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и обычно называется фотоионизацией.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Фотоэффект безынерционен, т. е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с достаточной частотой. Это свойство является ещё одним подтверждением квантового характера взаимодействия света с веществом.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света.

Эффектом Комптона называется изменение длины волны рентгеновского излучения при его рассеянии веществом, содержащим лёгкие атомы. Согласно квантовой теории, эффект Комптона является результатом упругого столкновения рентгеновского фотона со свободным или почти свободным электроном. При этом фотон передаёт электрону часть своей энергии и часть своего импульса в соответствии с законами сохранения энергии и импульса.

8.8 Как возникают структуры из хаоса в неорганической и живой материях? Каковы условия образования упорядоченных структур из хаоса, примеры из разных областей естествознания.

Согласно системному подходу при изучении объектов, процессов и явлений любой объект Вселенной рассматривается как единое целое, состоящее из элементов, организованных в целостность. В рамках этого подхода стоит остановиться на характеристике закрытой и открытой систем. Системой называется совокупность элементов со связями между ними. Закрытой системой называют систему, между элементами которой действуют внутренние силы, называемые консервативными силами. Открытая система – это система, между элементами которой кроме консервативных сил действуют внешние силы, называемые диссипативными.

Характеризуя закрытую систему, используют такие понятия, как положительный процесс – процесс перехода порядка в беспорядок, т.е. хаос, протекающий самопроизвольно в результате перехода энергии механической (которая характеризует порядок в системе) в энергию тепловую. Положительный процесс – процесс расширения. Также для характеристики перехода порядка в беспорядок вводят физическую величину, которая называется энтропия и обозначается буквой S. Клаузиус охарактеризовал энтропию как 1) термодинамическую функцию; 2) меру хаоса и показал, что энтропия в закрытой системе уменьшаться не может. В закрытой системе для необратимых процессов она всегда возрастает, для обратимых – остается величиной постоянной.

При характеристике открытой системы используют понятие «самоорганизация». Самоорганизация – это развитие любой открытой неравновесной системы от простого к сложному. Она может протекать скачком или катастрофой. В первом случае самоорганизация определяется как скачкообразный процесс перехода неравновесной термодинамической открытой системы, достигшей в своем развитии критического состояния, на новый более организованный упорядоченный уровень в своем развитии. Суть «теории катастроф» же состоит в том, что катастрофа – резкое изменение условий существования открытой термодинамической системы – выводит систему на следующую ступень своего развития. Точкой бифуркации называется точка, где идет раздвоение траектории в движении при развитии системы. Процесс, включающий в себя несколько уровней развития системы, которым соответствуют точки бифуркации, называется бифуркацией.

Концепция эволюции. Ее суть заключается в том, что в природе нет объекта, находящегося вне развития. Все объекты Вселенной находятся в развитии, начиная с исторического прошлого.

Длительное время в науке доминировало представление об отсутствии явления самоорганизации в неживой природе. Считалось, что объекты неорганического мира способны изменяться только в направлении дезорганизации. Последнее означает, что в соответствии со вторым началом термодинамики, системы неживой природы могут «эволюционировать» лишь в сторону возрастания их энтропии, а значит, хаоса. Считалось, что самоорганизующиеся процессы присущи только живым системам.

Постепенно в науке накапливалось все большее число фактов, свидетельствовавших о возникновении упорядоченных структур и феномена самоорганизации в неживой природе при наличии определенных условий. Даже повседневные наблюдения (образование, например, песчаных дюн, вихрей на воде и т. п.) свидетельствуют о том, что и в неживой природе, - наряду с дезорганизацией, - происходит также и самоорганизация, которая проявляется в возникновении новых материальных структур.

Указанные наблюдения и соответствующие обобщения привели к возникновению синергетики – междисциплинарного научного направления, изучающего общие и универсальные механизмы самоорганизации, т. е. механизмы самопроизвольного возникновения и относительно устойчивого существования макроскопических упорядоченных структур самой различной природы. Синергетика стирает, как казалось, непреодолимые грани между физическими и химическими процессами, с одной стороны, и биологическим и социальными процессами – с другой, ибо исследует общие механизмы самоорганизации и тех, и других.

Рассмотрим эволюцию Вселенной – всего мира, который существует вокруг нас. Вообразим, что мы могли бы заснять историю Вселенной на видеофильм. В нём было бы показано, как галактики разлетаются всё дальше друг от друга. Но если запустить фильм в обратную сторону, мы увидим, как галактики мчатся прямо к нам. В конце концов все они должны столкнуться вместе.

В самом начале Вселенной всё вещество и всё излучение были сконцентрированы в крохотной области пространства, неизмеримо меньшей, чем ядро одного атома. Теория, согласно которой Вселенная расширилась почти что из ничего до своих нынешних невообразимых размеров, основана на предположении, что красные смещения галактик обусловлены их удалением от нас.

Вселенная расширяется, значит в прошлом она должна была быть более плотной. Насколько плотной? Одна из моделей вселенной, теория Большого взрыва, утверждает, что когда-то всё вещество и вся энергия Вселенной были заключены в ничтожной области пространства. Всё это было невероятно горячим и фантастически плотным.

Вселенная, которую мы наблюдаем, возникла в результате Большого взрыва. После того, как это произошло, Вселенная постоянно расширяется и остывает.

Возраст Вселенной пока не удаётся вычислить точно, поскольку результат расчётов зависит от степени кривизны пространства, а её трудно измерить. Исходя из скорости расширения, можно предположить, что Вселенной сейчас от 10 до 20 миллиардов лет.

Вселенная далёкого прошлого, когда она толко-только родилась из Большого взрыва, сильно отличалась от той Вселенной планет, звёзд и галактик, которую мы видим сегодня.

Самая ранняя Вселенная представляла собой огненный шар излучения. Материя не была похожа на то вещество, что мы видим сегодня. Вселенная состояла из смеси экзотических частиц, которые быстро охлаждались по мере расширения крохотного мира. Когда возраст Вселенной достиг одной миллионной доли секунды, большая часть энергии превратилась в протоны. В следующую тысячную долю секунды сформировались электроны, которые слились с протонами, образовав нейтроны. Нейтроны могут самостоятельно существовать всего тысячу секунд, поэтому следующие несколько минут были решающими. За первую четверть часа протоны успели прореагировать с быстрораспадающимися нейтронами, и появились ядра атомов гелия. В гонке на время, продолжая охлаждаться и расширяться, Вселеная смогла превратить из водорода в гелий около четвёртой части своей материи. Остальной водород пошёл на формирование звёзд.

В конце первого часа после начала Большого взрыва Вселенная состояла из чатиц излучения – фотонов, а также из электронов, ядер водорода (протонов) и ядер гелия. Атомов ещё не было, потому что при столь высокой температуре электроны не могут удерживаться на орбитах около протонов или ядер гелия. Любой электрон, попытавшийся приблизиться к высокоэнергетическому протону, тут же отбрасывался в результате столкновения с ним. Но время работало против излучения. Продолжавшееся расширение остужало Вселенную, и протоны постепенно теряли свою энергию, поскольку им приходилось заполнять всё большее пространство. Спустя примерно миллион лет температура упала до 4000 ⁰С, что уже позволяло ядрам удерживать электроны на орбитах.

Именно на этой стадии развития Вселенной образовались атомы.Электронам хватило нескольких тысяч лет, чтобы сформироваться на орбитах вокруг ядер водорода и гелия. Пока этого не произошло, свет не мог распространяться во Вселенной на большие расстояния. Если представить себя оказавшимся в ранней Вселенной, мы были бы со всех сторон окружены ярко светящимся туманом, непроницаемым для взгляда даже на сантиметр. Но как только сформировались устойчивые атомы, Вселенная стала прозрачной и свет получил возможность «путешествовать» беспрепятственно.

Следущей стадией развития Вселенной было образование звёзд, планет и галактик. Эти объекты на раннем этапе своего образования формировывались из возникающих случайным образом неоднородностей. Постепенно Вселенная приобрела свой современный облик.

Вселенная в своём развитии прошла путь от простого к сложному (точнее из ничего к сложному). Вселенная совершенна, ибо она и только она создала себя и всё в ней находящееся. Человек, являющийся по сути сложнейшим созданием природы, - лишь маленькая частичка гениального творения природы.

9.8 Охарактеризовать научные революции 20-ого столетия в биологии и антропологии.

Становление биотехнологии было связано с успехами биологии в познании особенностей организации молекулярных структур живого и процессов этого уровня, осуществлением искусственного синтеза отдельных генов и их включением в геном бактериальной клетки. Это позволило контролировать основные процессы биосинтеза в клетке, создавать такие генетические системы бактериальной клетки, которые способны осуществлять биосинтез определенных соединений в промышленных условиях. На решение таких задач ориентируется ныне ряд направлений биотехнологии. Биологическая технология определила возникновение нового типа производства – биологизированного. Примером такого производства могут быть предприятия микробиологической промышленности. Биологизация производства – это новый этап научно – технического прогресса, когда наука о живом превращается в непосредственную производительную силу общества, и ее достижения используются для создания промышленных технологий.

Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, словом, тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия. Информационная биология в настоящее время предъявляет самые высокие требования к информационным технологиям.

В результате появления эффективных методических подходов в последние десятилетия уходящего века в биологии произошла научная революция, обеспечившая проникновение на молекулярно-генетический уровень организации жизни. Стала возможна расшифровка протяженных участков геномной ДНК, полных геномов вирусов, бактерий, растений и животных. К 50-летию расшифровки Уотсоном и Криком структуры двойной спирали ДНК было объявлено о первичной расшифровке генома человека.

К середине XX века проблема старости выросла в науку – геронтологию. Открытие молекулярных законов жизни создало предпосылки для создания теории старения, и постепенно разнообразные теоретические представления о механизмах старения стали "фокусироваться" вокруг теорий, согласно которым старение является следствием процессов, происходящих на молекулярных уровнях организации живой материи. Постепенное развитие знания о механизмах старения на основе обобщения, включая широкое использование математических методов, все возрастающего объема экспериментальных данных и результатов клинического применения методов продления жизни (таких как использование антиоксидантов и биорегулирующих веществ) неуклонно приближало ученых к разгадке феномена старения и разработке эффективной терапии старения. Однако очень большая сложность биологических систем, многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на старение, препятствовало и все еще препятствует быстрому прогрессу в этом направлении, совершению качественного скачка в разрешении проблемы старения.

Литература.

1.    Яворский Б. М. и Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.-512 с.

2.    Жарков В. И. Непрерывно-дискретные пространство и время микрообъектов. Филосовский аспект проблемы. Изд-во «Наука»; Сибирское отделение; Новосибирск, 1971.-168 с.

3.    Кучевский Б. К. Анализ категории «материя»; - М.: Наука, 1983.-160 с.

4.    Мир вокруг нас: Беседы о мире и его законах / В. Г. Астахова, Е. В. Дубровский, И. И. Жерневская и др.; Сост.: Е. В. Дубровский. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Политиздат, 1983.-175 с., ил.

5.    Вопросы статистической теории равновесного состояния термодинамических систем / Под ред. канд. физ.-мат. наук доцента Р. Г. Геворкяна. – М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955.-128 с.

6.    «Оксфордская библиотека». Астрономия. / Саймон и Жаклин Миттон, - М.: «Росмэн», 1995.-160 с.