1.     Сравните представления о пространстве и времени в классической и релятивистской механике


Пространство и время в релятивистской механике. Пространство можно было бы назвать абсолютным лишь в том случае, если бы удалось найти покоящееся в нем тело, - покоящееся с точки зрения всех наблюдателей. Но это как раз и невозможно1. Сходство представления о пространстве и времени в классической механике заключается в представлениях о пустоте у Ньютона связывается с существованием абсолютного пространства: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным». Ньютон определяет также и абсолютное, истинное математическое время: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и самой своей сущности, безо всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью». «Время и пространство представляют собой как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения. По самой своей сущности они есть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения…». Относительность пространства была понята не сразу. Даже Ньютон считал абсолютным, хотя и понимал, что установить это никак нельзя. Отголоски этой проблемы дошли до 20-х гг. нашего столетия, когда даже отец релятивизма (относительности) Эйнштейн не сразу принял теорию Фридмана о характере движения звезд. В эпоху возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении возникновения физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходные понятия науки. Однако каковы особенности и характерные черты этого пространства? Заполнено ли оно эфиром или является пустым? Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки построения в дальнейшем всего каркаса ньютоновской физики.

Существует принципиальное отличие, вкладываемое в понятие вероятности в классической и релятивистской механике. В классической механике вычисление вероятности заменяет отсутствие достаточных знаний о влиянии тех или иных малых отклонений для точного описания явления. В релятивисткой механике вероятность лежит в самой основе всего, и подсчет шансов начинается уже с фундаментальных законов физики.

Пространство и время в классической механике. Ньютон подчеркивает, что само по себе движение имеет относительный характер, «относительное движение тела может быть и произведено и изменено без приложения сил к этому телу», то есть в зависимости от системы отсчета, относительно которой это движение рассматривается. При этом система отсчета должна обязательно либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству. Принципы, обозначенные в классической механике являются следствием представлений о непрерывном пустом пространстве и непрерывном времени, в которых выделено индивидуальное тело.

3. История формирования представлений о строении атома. Чем был вызван отказ от планетарной модели Резерфорда


Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10–10–10–9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10–15–10–14 м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях. Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше.

Представления о строении атома радикально изменились в XX в. под влиянием новых теоретических идей и экспериментальных данных. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований. В следующих разделах излагается история развития представлений о строении атома как целого. Энергия, необходимая для исследования внешних оболочек атома, относительно невелика, порядка тепловой или химической энергии. По этой причине электроны были экспериментально обнаружены задолго до открытия ядра.

Ядро же при его малых размерах очень сильно связано, так что разрушить и исследовать его можно только с помощью сил, в миллионы раз более интенсивных, нежели силы, действующие между атомами. Быстрый прогресс в понимании внутренней структуры ядра начался лишь с появлением ускорителей частиц. Именно это огромное различие размеров и энергии связи позволяет рассматривать структуру атома в целом отдельно от структуры ядра.

Чтобы составить представление о размерах атома и незаполненности занимаемого им пространства, рассмотрим атомы, составляющие каплю воды диаметром 1 мм. Если мысленно увеличить эту каплю до размеров Земли, то атомы водорода и кислорода, входящие в молекулу воды, будут иметь в поперечнике 1–2 м. Основная же часть массы каждого атома сосредоточена в его ядре, поперечник которого при этом составил всего 0,01 мм.  

Историю возникновения самых общих представлений об атоме обычно ведут со времен греческого философа Демокрита (ок. 460 – ок. 370 до н. э.), много размышлявшего о наименьших частицах, на которые можно было бы поделить любое вещество. Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Греческий философ Эпикур (ок. 342–270 до н.э.) принял атомную теорию, и в первом веке до н.э. один из его последователей, римский поэт и философ Лукреций Кар, изложил учение Эпикура в поэме «О природе вещей», благодаря которой оно и сохранилось для следующих поколений. Аристотель (384–322 до н.э.), один из крупнейших ученых древности, атомистическую теорию не принимал, и его взгляды на философию и науку преобладали впоследствии в средневековом мышлении. Атомистической теории как бы не существовало до самого конца эпохи Возрождения, когда на смену чисто умозрительным философским рассуждениям пришел эксперимент.

В эпоху Возрождения начались систематические исследования в областях, именуемых ныне химией и физикой, принесшие с собой новые догадки о природе «неделимых частиц». Р.Бойль (1627–1691) и И.Ньютон (1643–1727) исходили в своих рассуждениях из представления о существовании неделимых частиц вещества. Однако ни Бойлю, ни Ньютону не потребовалось детальной атомистической теории для объяснения интересовавших их явлений, и результаты проведенных ими экспериментов не сказали ничего нового о свойствах «атомов».

Законы Дальтона. Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона (1766–1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803.

Дальтон изучал свойства газов, в частности отношения объемов газов, вступавших в реакцию образования химического соединения, например, при образовании воды из водорода и кислорода. Он установил, что отношения прореагировавших количеств водорода и кислорода всегда представляют собой отношения небольших целых чисел. Так, при образовании воды (H2O) в реакцию с 16 г кислорода вступают 2,016 г газообразного водорода, а при образовании пероксида водорода (H2O2) с 2,016 г водорода соединяются 32 г газообразного кислорода. Массы кислорода, реагирующие с одной и той же массой водорода при образовании этих двух соединений, соотносятся между собой как небольшие числа:

16:32 = 1:2.

На основе подобных результатов Дальтон сформулировал свой «закон кратных отношений». Согласно этому закону, если два элемента соединяются в разных пропорциях, образуя разные соединения, то массы одного из элементов, соединяющиеся с одним и тем же количеством второго элемента, соотносятся как небольшие целые числа. По второму закону Дальтона, «закону постоянных отношений», в любом химическом соединении соотношение масс входящих в него элементов всегда одно и то же. Большое количество экспериментальных данных, относящихся не только к газам, но также и к жидкостям и твердым соединениям, собрал Й.Берцелиус (1779–1848), который провел точные измерения реагирующих масс элементов для многих соединений. Его данные подтвердили сформулированные Дальтоном законы и убедительно продемонстрировали наличие у каждого элемента наименьшей единицы массы.

Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений.

Хотя законы Дальтона лежат в основе всей химии, ими не определяются фактические размеры и массы атомов. Они ничего не говорят о числе атомов, содержащихся в определенной массе элемента или соединения. Молекулы простых веществ слишком малы, чтобы их можно было взвесить по отдельности, поэтому для определения масс атомов и молекул приходится прибегать к косвенным методам.

Число Авогадро. В 1811 А.Авогадро (1776–1856) выдвинул гипотезу, которая значительно упрощала анализ того, как из элементов образуются соединения, и устанавливала различие между атомами и молекулами. Его мысль состояла в том, что равные объемы газов, находящиеся при одинаковых температуре и давлении, содержат одно и то же число молекул. В принципе намек на это можно найти в более ранней работе Ж.Гей-Люссака (1778–1850), который установил, что отношение объемов газообразных элементов, вступающих в химическую реакцию, выражается целыми числами, хотя и отличными от отношений масс, полученных Дальтоном. Например, 2 л газообразного водорода (молекулы H2), соединяясь с 1 л газообразного кислорода (молекулы O2), образуют 1 л паров воды (молекулы H2O).

Истинное число молекул в данном объеме газа чрезвычайно велико, и до 1865 его не удавалось определить с приемлемой точностью. Однако уже во времена Авогадро проводились грубые оценки на основе кинетической теории газов. Очень удобной единицей измерения количества вещества является моль, т.е. количество вещества, в котором столько же молекул, сколько атомов в 0,012 кг самого распространенного изотопа углерода 12С. Один моль идеального газа при нормальных условиях (н.у.), т.е. стандартных температуре и давлении, занимает объем 22,4 л. Число Авогадро – это полное число молекул в одном моле вещества или в 22,4 л газа при н.у. Другие методы, такие, как рентгенография, дают для числа Авогадро N0 более точные значения, нежели полученные на основе кинетической теории. Значение, принятое в настоящее время, таково: 6,0221367Ч1023 атомов (молекул) в одном моле. Следовательно, в 1 л воздуха содержится примерно 3Ч1022 молекул кислорода, азота и других газов.

Важная роль числа Авогадро для физики атома связана с тем, что оно позволяет определить массу и приблизительные размеры атома или молекулы. Поскольку масса 22,4 л газообразного H2 составляет 2,016Ч10–3 кг, масса одного атома водорода равна 1,67Ч10–27 кг. Если считать, что в твердом теле атомы расположены вплотную друг к другу, то число Авогадро позволит приближенно оценить радиус r, скажем, атомов алюминия. Для алюминия 1 моль равен 0,027 кг, а плотность – 2,7Ч103 кг/м3. При этом имеем

N0(4/3pr3)2,7*103=0,027

откуда r » 1,6Ч10–10 м. Так первые оценки числа Авогадро дали представление об атомных размерах.

Отказ от планетарной модели Резерфорда был вызван тем,что сначала предположили, что представляет собой облако положительно и отрицательно заряженных частиц. Но опыты Эрнста Резерфорда в 1911 г. по рассеянию α-частиц атомами убедительно показали, что положительный заряд атома сосредоточен в его малой области (10-12 – 10-13 см), которую он назвал ядром. 1 Модель атома была пересмотрена, и было принято, что атом состоит положительно заряженного ядра, состоящего из открытых к тому времени протонов, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов.

Изучение строения атома практически началось в 1897 – 1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Томсон предложил первую модель атома, представив атом как сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т.е. двигаться ускоренно. Казалось бы это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивных веществ.

Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.

В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома. Дальнейшее более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения не велики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые откланяются очень сильно.

Некоторые частицы сбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Это не электроны – их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома1.

В центе атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.

Предложенная Резерфордом схема построения атома, как обыкновенно говорят, планетарная модель атома, легко объясняет явления альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов. Но в ней были противоречия. Классическая планетарная модель атома Резерфорда, как известно, неудовлетворительна, поскольку электрон из-за испускания электромагнитного излучения должен упасть на ядро. Квантовая теория свободна от этого недостатка. Следствием ее является наличие флуктуаций вакуума, природа которых неизвестна.


5. Поясните понятия температуры и теплоты. Можно ли передать некоторое количество теплоты телу не повышая его температуры?


Чтобы изучить процессы в веществе, связанные с нагреванием, нужно ввести характеристики степени нагретости тела, т.е. понятие температуры. Наш организм можно легко контролировать температуру, небольшое повышение ее приводит к плохому самочувствию, но при измерениях нельзя полагаться на ощущения, для этого должны быть объективные критерии[1].

Бэкон и Кеплер считали, что теплота есть состояние движения внутренних частей тела.

Ламберт первым определил температуру и количество теплоты как различные понятия (1755). В этом же году М.В. Ломоносов (1711-1765) указал, что температура тела – степень теплоты – определяется скоростью движения частиц, тогда как количество теплоты зависит от общего количества движения этих частиц, т.е. от кинетической энергии[2].

Можно передать некоторое количество теплоты телу не повышая его температуры.


7. Поясните понятия «хаос», «бифуракция» «порядок». Можно ли их применять для анализа социальных процессов, в какой степени и почему?

Хаос – бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченная первотенция мира1.

Хаос, понятие окончательно оформившееся в древнегреческой философии - это трагический образ космического первоединства, начало и конец всего, вечная смерть всего живого и одновременно принцип и источник всякого развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик.

Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое движение называется движением центра масс.

Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены).

Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая называется термодинамикой.

Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно («в ногу»), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически.

Бифуракция (раздвоенный) – раздвоение, вилообразное разделение, раздвоение траектории движения и т.п.

При увеличении скорости потока выше критической некоторые из малых возмущений перестают затухать, система теряет устойчивость и переходит в новый режим; вихри начинают осциллировать движение жидкости становится турбулентным. Линейная зависимость потоков и сил нарушается, перестает выполняться и теорема Пригожина о минимальном приросте энтропии, хотя картина носит еще стационарный характер. В этом случае устойчивость и переходит в новый режим; вихри начинают осциллировать движение жидкости становится турбулентным. Линейная зависимость потоков и сил нарушается, перестает выполняться и теорема Пригожина о минимальном приросте энтропии, хотя картина носит еще стационарный характер. В этом случае устойчивость и переходит в новый режим; вихри начинают осциллировать движение жидкости становится турбулентным. Линейная зависимость потоков и сил нарушается, перестает выполняться и теорема Пригожина о минимальном приросте энтропии, хотя картина носит еще стационарный характер. В этом случае говорят о первой бифуркации или бифуркации Хопфа. При увеличении числа Рейнольдса новый периодический режим вновь теряет устойчивость возникают незатухающие колебания с частотой определяемой величиной Re. С ростом неравновесности должно было возрастать число коореляции, новые макроскопические связи. Затем появляются новые частоты, при этом интервал частот сокращается, и, по теории Ландау, проявляющиеся новые движения имеют все более мелкие масштабы. Нерегулярное поведение, типичное для турбулентного движения, есть результат бесконечного каскада бифуркаций[3].

Порядок – исчисление всех прошлых и будущих состояний Вселенной на основании того, что относительно какого-то момента известны все силы и положения частей.

В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной «деятельностью» хаоса. Именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

Данные понятия можно применять для анализа социальных процессов.

Поиск путей выхода из кризиса в сфере эколого-экономико-социальных отношений, в основном, может основываться на математическом моделировании сценариев возможного развития ситуаций в зависимости от начальных условий и характера принимаемых действий в процессе их реализации, так как в этой области практически нет возможности поставить эксперимент. Общество можно вернуть в исходное состояние при обнаружении ошибки и переиграть исходную ситуацию. К исходным моделям в этом случае предъявляются жесткие требования. Использование моделирования данных процессов включает соотношения, которые описывают зависимость валового промышленного продукта, производство продуктов питания, суммарного капитала, характер инвестиций, уровня загрязнения, роста народонаселения и др. Зависимости были взяты из эмпирических данных и основывались на ретроспективном анализе предыдущего развития.

Процессы перехода порядка в хаос и хаоса в порядок являются неотъемлемой частью нашего мира, поэтому возникновение жизни на планете и в других частях Вселенной закономерный процесс. (революции происходящие на земле, военные конфликты).

8. Перечислите и поясните существующие связи между живой и неживой природой на Земле

Природа бывает неживая и живая.

Солнце, звезды, воздух, вода, камни – это неживая природа.

Растения, животные, человек – живая природа.

Между неживой и живой природой есть тесная связь. Солнце служит источником тепла и света для живых существ. Необходимы живым существам также воздух, вода.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях1. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения. Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. 1 Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945). Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество. Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого. По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности: открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел; явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты. 1 Поскольку живоевещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча. изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического; в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно ; только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени.

Разделение изучение материального мира на три раздела – мира неживой природы, живых существ и общества на начальных этапах – для детального изучения каждой из подсистем вполне укладывается в общую схему развития науки. Эти три уровня самоорганизации материи разделены качественными скачками в ее эволюции. Но все эти три канала, тем не менее, части единого процесса ее самоорганизации. Поэтому по мере накопления знаний в каждой из подсистем необходимо переходить к рассмотрению системы в целом. Исключение из рассмотрения влияния какой-либо подсистемы может привести к принципиальным ошибкам и интерпретации наблюдающихся явлений. Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

10. В чем заключается техногенное влияние цивилизации на климатические изменения? Каковы перспективы изменения климата?


Современная цивилизация началась в последнюю межледниковую эпоху, получившую название голоцена. Хотя в эту эпоху были периоды с разными климатическими условиями, диапазон изменений климата был значительно меньше, чем при переходе от ледниковья к межледниковью. Резкие изменения климата могут катастрофически сказаться на развитии цивилизации, как уже бывало[4].

Инструментальные наблюдения за климатом, развернувшиеся в XIX в., зарегистрировали начало потепления, которое продолжалось до первой половины XX в. Но это потепление было обнаружено не сразу. Советский океанолог Н.М. Книпович в 1921 г. выявил, что воды Баренцева моря стали заметно теплее. В 20-х годах появилось много сообщений о признаках потепления в Арктике. Сначала даже считалось, что это потепление касается только Арктической области.

Сравнение холодного периода с 1815 по 1919 г. и теплого с 1920 по 1976 г., показало, что каждые десять лет в первый период наблюдалась одна крупная засуха, тогда как во второй – две. В период потепления из-за уменьшения количества осадков произошло значительное падение уровня Каспийского моря и ряда других внутренних водоемов. Потепление повлекло за собой изменение границ распространения многих животных. В Гренландии стал гнездоваться сизоголовый дрозд, в Испании появились ласточки и скворцы. Перелетные птицы весной стали появляться в среднем на 10 дней раньше. Потепление океанических вод, особенно заметное на севере, привело к изменению мест нереста и откорма промысловых рыб. Н.М. Книпович в связи с такими явлениями отметил, что в какие-нибудь полтора десятка лет и даже более короткий промежуток времени произошли такие изменения в распределении представителей морской фауны, какие связываются обыкновенно с представлением о долгих геологических промежутках. После 40-х годов стала проявляться тенденция к похолоданию. Льды в северном полушарии стали снова наступать. В первую очередь это выразилось в росте площади ледяного покрова Северного Ледовитого океана. С начала 40-х и до конца 60-х годов площадь льда в арктическом бассейне возросла на 10%. Горные ледники в Альпах и на Кавказе, а также в горах Северной Америки, ранее быстро отступавшие, или замедляли отступление, или даже начали снова наступать. В 60-е и 70-е годы возрастает число климатических аномалий. Это были суровая зима 1967/68 г. в СССР и три суровые зимы с 1972 по 1977 г. в Соединенных Штатах. В этот же период в Европе отмечается серия очень мягких зим. В Восточной Европе в 1972 г. – очень сильная засуха, а в 1976 г. – на редкость дождливое лето. Из других аномалий можно вспомнить необычайно большое количество айсбергов у берегов Ньюфаундленда в летние периоды 1971–1973 гг., частые и сильные штормы в Северном море между 1972 и 1976 г. Но аномалии охватили не только умеренную зону северного полушария. С 1968 по 1973 г. длилась сильнейшая засуха в Сахеле и Африке. Дважды, в 1976 и 1979 г., сильные заморозки губят кофейные плантации в Бразилии. В Японии по данным метеорологических наблюдений установлено, что за десятилетие 1961–1972 гг. число месяцев с необычно низкими значениями температуры было вдвое больше, чем с высокими значениями, а число месяцев с недостаточными осадками также почти вдвое превышало число месяцев с избытком осадков. На карте климатических аномалий для 1972 г. видно, что аномалии охватывали больше половины территории суши и проявлялись как в северном, так и в южном полушариях. Начало 80-х годов также ознаменовалось серьезными и обширными аномалиями. Зима 1981/82 г. в Соединенных Штатах и Канаде была одной из самых холодных. Термометры показывали температуру воздуха более низкую, чем в последние несколько десятилетий, а в 75 городах, в том числе в Чикаго, морозы побили все предыдущие рекорды. 230 американцев погибли от холода. Зимой 1983/84 г. снова отмечались очень низкие температуры на обширных территориях в Соединенных Штатах, в том числе во Флориде. На редкость холодной была зима в Великобритании. В Австралии летом 1982/83 г. была одна из самых драматических засух за всю историю континента, получившая название «великая сушь». Она охватила всю восточную и южную часть континента и сопровождалась сильными лесными пожарами. В то же время Китай заливали дожди, продолжавшиеся три месяца. В Индии задержался сезон муссонных дождей. В Индонезии и на Филиппинах свирепствовали засухи. Над Тихим океаном пронеслись сильнейшие тайфуны. Побережье Южной Америки и засушливый Средний Запад США оказались залитыми дождями, которые затем сменились засухой.

За последнее столетие средние температуры земной поверхности повысились на 0,3–0,6 °С; уровень Мирового океана поднялся в среднем на 10–20 см; начиная с 1973 г. среднегодовая площадь снегового покрова в северном полушарии сократилась на 8%. Если человечество не примет мер по ограничению выброса парниковых газов, средние температуры на поверхности планеты будут расти примерно на 0,3 °С в десятилетие (возможная ошибка в пределах 0,2–0,5 °С), а уровень моря только за счет теплового расширения вод – подниматься на 2–4 см в десятилетие. Что за потеплением – подъем или падение уровня океана? Во время глобального потепления Антарктическое оледенение не сокращалось, а, напротив, разрасталось. И в наше время, несмотря на глобальное потепление (за столетие – примерно на 0,6 °С), снеговая линия в Канадской Арктике, на о. Баффина и на Аляске продвигается к югу, а увеличение мощности Гренландского оледенения должно приводить к падению (а не повышению!) уровня Мирового океана примерно на 0,45 мм/год. Горные ледники начали отступать около 100 лет назад; то же можно сказать и о некоторых районах Антарктического полуострова. В прошлом масштабы оледенения возрастали как раз в периоды потепления, а не похолодания.

Перспективы изменения климата: у биосферы планеты есть предел воздействия на нее. То есть при уменьшении ареала дикой природы, после определенного предела, она становится разомкнутой и перестает нормально функционировать и поддерживать условия окружающей среды в определенных режимах, к которым человек, эволюционируя как биологический вид, приспособился. В данное время прослеживается глобальное потепление климата, причем на всей планете. Парниковый эффект оказывает существенное влияние на климатические условия жизни.

Прокатившиеся по Европе войны, эпидемии и экологические катаклизмы, унесшие две трети населения, поставили человечество перед необходимостью вновь изменить взаимоотношения с окружающей средой. Для использования накопленного природой, оно изобрело паровые машины. Однако население неумолимо росло, и борьба человека за освоение все новых и новых ресурсов со временем только возрастала и возрастает. В работах и докладах выработаны рекомендации – каким должно быть наше будущее и какими принципами оно должно руководствоваться, чтобы не только живущее поколение человечества, но и их потомки имели возможность не только жить в здоровой обстановке, но и развиваться. Общая идея стратегии перехода на путь устойчивого развития заключается в уменьшении антропогенной нагрузки на биосферу всевозможными способами, начиная от перехода к экологобезопасным, безотходным технологиям в производстве всесторонней экологизации. 1 Одним из выводов концепции является то, что развивающиеся страны не должны повторять путь, пройденный развитыми странами к своему благополучию, так как развитые страны достигли своего благополучия за счет использования планетарных ресурсов естественной биоты, а выход всех стран на такое же количественное использование ресурсов биоты неминуемо ведет к катастрофе.



Список литературы


1. Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания. – М.: Высшая школа, 1998 г.


2. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г.


3. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический проект, 2002 г. Издание 4-е, исправленное и дополненное.


4. Орд-Хьюм А. Вечное движение. М., 1980.


5. Хорошавина С. Г. «Концепции современного естествознания». Курс лекций. (Серия «Учебники, учебные пособия»), Ростов Н / Д. «Феникс», 2002 г.


1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 73 – 105.

1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 107 – 128.

1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 107 – 128.

[1] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. М.: ИВЦ «Маркетинг»: Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 170.

[2] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. М.: ИВЦ «Маркетинг»: Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 173-174.


1 Хорошавина С. Г. «Концепции современного естествознания». Курс лекций. (Серия «Учебники, учебные пособия»), Ростов Н / Д. «Феникс», 2002 г. С. 102.

[3] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. М.: ИВЦ «Маркетинг»: Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 692.


1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 138 – 151.

1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 138 – 151.

1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 138 – 151.

[4] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. М.: ИВЦ «Маркетинг»: Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 558.

1 Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания.: Учебник. – Новосибирск. – ЮКЭА, 1997 г. С. 197 – 231.