1. Введение.
Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний объекта составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени. Философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее. Для их описания в естествознании исторически формировались различные представления о пространстве и времени.
Современное понимание свойств пространства-времени исходит из знаменитых открытий величайших физиков Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879) и Альберта Эйнштейна (1879-1955).
2. Что такое «Естествознание», какие дисциплины составляют данную науку?
Существует два определения понятия естествознания:
1)Естествознание - это наука о Природе как единой целостности.
2)Естествознание - это совокупность наук о Природе, рассматриваемых как единое целое. На первый взгляд, эти два определения различны. На самом деле между этими двумя определениями большого различия нет, ибо под "совокупностью наук" подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга. Это одна наука.
Точное естествознание - это вполне оформленное точное знание обо всем, что действительно существует или может существовать во вселенной. Естествознание интересует все понятия: от устройства и происхождения Вселенной, до познания молекулярных механизмов существования уникального Земного явления - жизни.
В систему естественных наук помимо основных наук: физики, химии, биологии включается так же и множество других - география, геология, астрономия и даже науки, стоящие на границе между естественными и гуманитарными науками, например, психология, целью которой является изучение поведения человека и животных.
Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, "выискивая" наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху.
Цели естествознания:
1)Выявление скрытых связей, создающих органическое единство всех физических, химических и биологических явлений.
2)Более глубокое и точное познание самих этих явлений.
3. Революции в естествознании, их сущность, исторический период их возникновения
Развитие естествознания не является лишь монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем природном мире. И если процесс простого приращения знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья, то с XVI века характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира.
Эти переломные этапы в генезисе научного знания получили наименование научных революций. Причем революция в науке – это, как правило, не кратковременное событие, ибо коренные изменения в научных знаниях требуют определенного времени. Поэтому в любой научной революции можно хронологически выделить некоторый более или менее длительный исторический период, в течение которого она происходит, Периоды научных революций, отмечал всемирно известный физик Луи де Бройль, «всегда характеризуют решающие этапы в прогрессивном развитии наших знаний».
Глобальная научная революция приводит к формированию совершенно нового видения мира, вызывает появление принципиально новых представлений о его структуре и функционировании, а также влечет за собой новые способы, методы его познания. Глобальная научная революция может происходить первоначально в одной из фундаментальных наук (или даже формировать эту науку), превращая ее затем на определенный исторический период в лидера науки. Последнее означает, что происходит своеобразная экспансия ее представлений, принципов, методов, возникших в ходе революции, на другие области знаний и на миропонимание в целом.
Первая научная революция произошла в эпоху, оставившую глубокий след в культурной истории человечества. Это был период конца XV – XVI вв., ознаменовавший переход от Средневековья к Новому времени и получивший название эпохи Возрождения. Последняя характеризовалась возрождением культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма. Вместе с тем эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессм науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473 – 1543), которое он развил в своем труде “Об обращениях небесных сфер” (1543).
Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившегося жизнью за свои убеждения, был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548 – 1600). Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружающим его планетам. Причем многие из бесчисленных миров, считал он, обитаемы и, по сравнению с Землей, “если не больше и не лучше, то во всяком случае не меньше и не хуже”.
Инквизиция имела серьезные причины бояться распространения образа мыслей и учения Бруно. В 1592 году он был арестован и в течение восьми лет находился в тбрьме, подвергаясь вопросам со стороны инквизиции. 17 февраля 1600г., как нераскаявшийся еретик, он был сожжен на костре на Площади цветов в Риме. Однако эта бесчеловечная акция не могла остановить прогресса познаний человеком мира. На научном небосводе уже взошла звезда Галилея.
Вторая научная революция.
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX вв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.
В учении Галилео Галилея (1564 – 1642) были заложены основы нового механистического естествознания. Как свидетельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности – это проблема движения».
Галилей сформулировал принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции. Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.
С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов Иоганн Кеплер (1571 – 1630). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о «Звездном вестнике». Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил 3 закона движения планет относительно Солнца. Также Кеплер разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы. С помощью этих таблиц можно было в любой момент времени с высокой степенью точности определить положение планет. Кеплеру принадлежит также решение важных для практики стереометрических задач.
Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643 – 1727). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и открытие трех основных законов движения, которые легли в основу механики. Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.
Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых производил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествознанием. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания небесной механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы.
Начало процессу стихийной диалектизации естественных наук, составившему суть третьей революции в естествознании, положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщая естественная история и теория неба». В этом труде, опубликованном в 1755 г., была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство.
Вплоть до конца XIX в. на базе классической механики Галилея – Ньютона развивались все естественные науки. Затем вслед за механикой теоретическим науками стали химия, термодинамика, учение об электричестве. Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина Джона Дальтона, сознательно положившего в основу теоретического объяснения химических изменений вещества атомистическую идею и придавшего этой идее вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом химического этапа развития атомистики. В 1861 г. русский химик А.М. Бутлеров сформулировал основные положения теории химического строения молекул, а в 1869 г. Д.И. Менделеев открыл Периодический закон химических элементов. Он догадывался, что причины периодической зависимости элементов надо искать во внутреннем строении атомов.
Трудами большой группы ученых (Н. Карно, Ю.Р. Майера, Г. Гельмгольца, Р. Клаузиуса, У. Томсона, В. Нернста и других) были установлены основные законы термодинамики. М. Фарадей и Дж.К. Максвелл заложили начало учения об электромагнитном поле. Для развития теоретического мышления в биологии важное значение имели клеточная теория Т. Шванна, М. Шлейдена, Я.Э. Пуркинье и эволюционное учение Ч.Дарвина. Биология XIX в. (вместе с геологией) ярко продемонстрировала значение эволюционных идей.
Выдающиеся заслуги в развитии биологии принадлежат русским ученым П.Ф. Горянинову (одному из создателей клеточной теории строения организмов), эволюционистам К.Ф. Рулье, А.Н. Бекетову и И.И. Мечникову. Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов (1829 – 1905). Его учение о механизмах деятельности головного мозга было развито работами великого исследователя И.П. Павлова. И.М. Сеченов доказал, что в основе психических явлений лежат физиологические процессы. Если Р. Декарт осознал рефлекторный характер непроизвольных движений, управляемых спинным мозгом, то И.М. Сеченов первым высказал идею о рефлекторном характере произвольных движений, управляемых головным мозгом. Продолжением этой идеи явилось открытие И.П. Павловым (1855 – 1935) условных рефлексов. И.М. Сеченов доказал, что раздражение определенных центров в головном мозгу тормозит деятельность центров спинного мозга. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом экспериментального исследования, а психические явления начали получать материалистическое объяснение в конкретной научной форме.
В начале ХХ века в физике и естествознании в целом произошла еще одна крупнейшая революция, приведшая к признанию релятивистской и квантовомеханической картины мира. Этому способствовали открытия: электромагнитных волн (Г. Герц), рентгеновских лучей (В. Рентген), радиоактивности (А. Беккерель), радия (М. Кюри-Складовская и П. Кюри), светового давления (П.Н. Лебедев), первых положений квантовой теории (М. Планк) и других явлений.
4. Значение естествознания для личностного развития человека, специалиста
XXI
века
Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народов и ведет к духовному обнищанию.
А.Эйнштейн
В современном «постиндустриальном» обществе в научные разработки и технологическую деятельность вовлечены миллионы людей. Работа их определяет судьбы миллиардов, поэтому без глубокого освоения идей, языка и методов современной науки невозможно разумно управляемое развитие человеческой цивилизации. Экологический кризис, поставивший человечество на грань катастрофы, вызван не научно-техническим прогрессом, а напротив – недостаточным распространением в обществе научных и культурных знаний, породившим благодатную почву для принятия безответственных решений, бесконтрольного производства человеческих потребностей далеко не высшего порядка и их удовлетворению в ущерб окружающей природе.
Человечество на пороге нового тысячелетия находится в состоянии настоящей революции в области коммуникации и информации, подготовившей и смену мировоззрения. Информация превратилась в глобальный и, в принципе, неистощимый ресурс человечества, вступающего в новую эру развития цивилизации – эпоху интенсивного освоения этого информационного ресурса и неслыханных возможностей феномена управления. Многие решения, определяющие будущее, зависят от адекватной интерпретации научных открытий. Наука – не набор непреложных истин и научный метод – лишь один из способов познания природы. Когда-то Ньютон заметил: «Тот, кто копается в глубоких шахтах знания, должен, как каждый землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать свежим воздухом», имея в виду, что «углубление шахт знания» может привести их неустойчивости.
Гуманизация общества и образования стала насущной потребностью нашего времени. Один из самых известных физиков нашего столетия Макс Борн как-то сказал: «Нынешние политические и милитаристические ужасы, полный распад этики – всему этому я был свидетелем на протяжении моей жизни. Если даже род человеческий не будет стерт ядерной войной, он может выродиться в какие-то разновидности оболваненных и бессловесных существ, живущих под тиранией диктаторов и понукаемых с помощью машин и электронных компьютеров». Поэтому в обучении важны и современные знания, и соответствующая им ответственность и мораль. Велика в этом роль естествознания как попытки найти логически безупречный ответ на главный вопрос – происхождение мироздания и человечества.
5.Уровни организации живой материи
Авторами теории уровней организации живого являются Браун и Селларс. Они называли эти уровни классами сложности.
I уровень – молекулярно-генетический. В его состав входят:
Химические элементы
Углеводы
Аминокислоты
Белки
Липиды (воски и жиры)
Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК)
II уровень – клеточный.
Впервые термин клетка ввел Р.Гук. Клетка – это основная структурная и функциональная единица живого. Причем все клетки делятся на две группы: прокариоты (безядерные) и эукариоты (ядерные).
III уровень – тканевой.
Ткань – это группа физически объединенных клеток и межклеточного вещества для выполнения определенной функции. Виды ткани:
эпителиальная;
соединительная;
мышечная;
нервная.
IV уровень – органный.
Орган – это относительно крупная функциональная единица, которая объединяет различные ткани в некоторые комплексы. Органы объединяются в системы органов для выполнения определенной функции. Внутренние органы характерны только для животных и человека (у растений отсутствуют).
V уровень – организменный.
Организм – это особая внутренняя среда, существующая во внешней среде в постоянном обмене веществ с ней.
VI уровень – популяционный.
Популяция – это совокупность организмов с единым генофондом, занимающих определенную территорию (ареал).
VII уровень – биоценотический.
Биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией обитания, отличающейся от других соседних территорий химическим составом почвы, воды и рядом других физических показателей: климатом, влажностью и т.д.
VIII уровень – биогеоценотический.
Биогеоценоз – единство биоценоза с неживой природой, т.е. живых существ со средой обитания: с температурными, географическими, атмосферными условиями.
IX уровень – биосферный.
6.Учение В.И. Вернадского о биосфере, основные его положения.
Центральным пунктом изучения в теории Вернадского является понятие о живом веществе, т.е. совокупности всех живых организмов. Кроме живого вещества Вернадский выделял еще косное вещество (воздух, вода, минералы). Между живым веществом и косным находятся биокосные вещества (остатки живых организмов, например, навоз).
Отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:
изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического времени, а в неживых телах геологического времени. 1 секунда геологического времени = 100 тысяч лет исторического;
в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в неживое, и наоборот;
только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе геологического времени, т.е. эволюция;
живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.
Вернадский выдвинул предположение, что живые организмы сами по себе эволюционируют. Он поставил вопрос: «Есть ли у жизни начало?», на который он отвечает в поддерживаемой им концепции вечной жизни о том, что Земля существует вечно, и поэтому жизнь на ней не имеет начала.
Согласно данной теории биосфера выполняет несколько функций:
кислородная, т.к. часть биосферы выделяет кислород;
почвообразующая;
хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических, возможный только в бактериях (например, только бактерии способны аккумулировать азот из воздуха);
круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся атмосфера в целом;
структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик Земли и т.д.
По Вернадскому работа живого вещества в биосфере может быть выражена в двух основных формах:
химическая или биохимическая ( I род геологической деятельности );
механическая ( II род геологической деятельности).
I род геологической деятельности проявляется в обмене веществ внутри живых организмов, в результате которого происходит постоянных кругооборот атомов.
При этом большое значение имеет количество пропускаемых веществ через тот или иной живой организм. По некоторым данным установлено, что через организм человека за всю его жизнь проходит около: 75 т воды, 17 т углеводов, 2,5 т белка, 1,5 т жира.
Сущность II рода геологической деятельности проявляется только в тех экосистемах, где хорошо развит почвенный покров, который позволяет создавать норы, укрытия, т.е. разрыхлять почву.
Вернадский для понимания работы живого вещества в биосфере ввел 3 биогеохимических принципа:
биогенная миграция атомов всегда стремится к максимальному значению. Это выражается в способности некоторых живых организмов неограниченно размножаться;
эволюция видов в ходе геологического времени ведет к образованию таких организмов, которые увеличивают миграцию атомов;
заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.
С появлением человека, по учению Вернадского, биосфера переходит в качественно новую сферу – ноосферу, т.е. сферу человеческого разума.
Для этого должны быть выполнены следующие условия:
заселение человеком всей планеты;
резкое преобразование средств связи и обмена между странами;
усиление связей, в т.ч. политических, между всеми странами;
начало преобладания роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в земной коре;
расширение границ биосферы и выход в космос;
открытие новых источников энергии;
равенство людей всех рас и религий;
увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и внешней политики;
свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений, а также создание в государстве благоприятных условий для свободного развития научной мысли;
продуманная система народного образования и повышения благосостояния трудящихся; создание реальной возможности не допустить голода, нищеты;
разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности;
исключение войн из жизни общества.
7. Органические вещества, их классификация, значение в живой природе
До начала XIX столетия все известные вещества делили по их происхождению на две группы: вещества минеральные и вещества органические. Многие ученые тех времен считали, что органические вещества могут образоваться только в живых организмах при помощи «жизненной силы». Такие идеалистические взгляды назывались виталистическими. Виталистические взгляды о невозможности синтезировать органические вещества из неорганических задерживали развитие химии.
Большой удар взглядам виталистов нанес немецкий химик Ф. Велер. Он получил органические вещества из неорганических: в 1824 г. – щавелевую кислоту, а в 1828 г. – мочевину.
Дальнейшие органические синтезы (в 1845 г. немецкий ученый Г. Кольбе искусственным путем получил уксусную кислоту, в 1854 г. французский ученый М. Бертло синтезировал жиры, а в 1861 г. русский ученый А.М. Бутлеров получил сахаристое вещество) полностью опровергли утверждение виталистов о том, что органические вещества могут образоваться только в живых организмах.
Почему же тогда органические вещества рассматривают в специальном курсе, который традиционно называют органической химией? Одной из причин этого является тот факт, что в состав молекул всех органических веществ входит углерод, тогда как в неорганической химии подобного примера нет. (Однако это определение не является абсолютно точным, т.к., например, оксиды углерода (IV и II), угольная кислота, карбонаты, карбиды и некоторые другие соединения, в состав молекул которых входит углерод, по характеру свойств относят к неорганическим веществам.)
Насчитывается около 6,5 млн. органических веществ, и их число продолжает расти. Это объясняется тем, что атомы углерода способны соединяться между собой и образовывать различные цепи практически любого размера. Неорганических веществ известно же всего около 500 000.
Самая краткая классификация органических соединений выглядит следующим образом:
предельные углеводороды (алканы или парафины);
циклопарафины (циклоалканы);
непредельные углеводороды (этилен и его гомологи, алкадиены, каучуки, ацетилен и его гомологи);
ароматические углеводороды (арены);
спирты;
фенолы;
альдегиды;
карбоновые кислоты;
сложные эфиры;
жиры;
углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал, целлюлоза);
амины;
аминокислоты;
белки.
Ценный вклад в развитие органической химии внес русский ученый А.М. Бутлеров, который создал теорию химическог строения органических соединений. На основе этой теории органическая химия стала быстро развиваться как отдельная отрасль науки. В сравнительно короткий срок было синтезировано множество органических соединений, и возникли совершенно новые отрасли химической промышленности. Русский ученый Н.Н. Зинин в 1842 г. разработал промышленный метод получения анилина из бензола. Этот метод стал основой для производства синтетических красителей. Огромную роль в развитии органической химии и химической промышленности сыграли также С.В. Лебедев, В.В. Марковников, Н.Д. Зелинский.
В наши дни особая роль принадлежит органической химии в разработке методов производства веществ, заменяющих жиры и масла, а также предназначенных для переработки сельскохозяйственных продуктов, нефти, природного газа и каменного угля.
8. Синтетическая теория эволюции, ее сущность, основные положения
Экспериментальное изучение факторов и причин, вызывающих приспособительное преобразование популяций, и обобщение их с учетом достижений генетики, экологии, математического моделирования и других наук стали основой синтетической теории эволюции (СТЭ), представляющей современный дарвинизм. СТЭ заменила организмоцентристский подход в понимании единицы эволюции популяционным. В основе эволюции лежат противоречия не в системе «организм – абиотическая среда», а в системе «популяция – биогеоценоз». Элементарным эволюционным явлением признаются наследственные изменения популяций, которые вследствие спонтанных мутаций существуют в виде смеси различных генотипов. Наследуемые изменения, мутации многообразны: генные, хромосомные, геномные и другие. Важны частота возникновения мутаций, четкость их выражения, биологическая значимость новых признаков и т.д. СТЭ детализировала понимание того, что именно естественный отбор превращает случайные наследственные изменения в направленный процесс эволюции по пути все более эффективного приспособления организмов к среде. Принципиальное значение имеют исследования эволюциониста и эколога И.И. Шмальгаузена о функциях ведущего, стабилизирующего и дизруптивного видов естественного отбора. Ведущий отбор приводит к возникновению новой нормы реакции, свойственной виду, в конечном счете к изменениям вида. Стабилизирующая форма отбора отбрасывает изменения, выходящие за пределы колебаний условий данной среды, и повышает устойчивость уже существующей или только еще устанавливающейся нормы. Стабилизирующий отбор осуществляется при переходе из среды с большой амплитудой условий в стабильную обстановку. Дизруптивная форма отбора приводит к естественному вымиранию особей со средним проявлением какого-либо признака и выживанием особей с крайними проявлениями признаков. Учение о разных формах отбора внесло уточнения в представления о роли ненаследуемых модификаций в эволюционном процессе.
При изменяющихся условиях среды организмы отвечают на них адаптивными модификациями при сохранении их генотипа. Если новые условия сохраняются длительное время, то в конечном счете происходит наследственная стабилизация фенотипа, который первоначально был выражен адаптивной модификацией. При этом имеет место не переход модификации в адекватное наследственное изменение, а сложная перестройка генотипа, в процессе которой меняется норма реакции и появляются возможности новых приспособительных модификаций. Изложенные взгляды требуют пересмотра прежних представлений о том, что модификации не имеют эволюционного значения.
Синтетическая теория эволюции более доказательна, опирается на широкое применение экспериментальных методов, на воспроизводимые опыты. Она продолжает развиваться, совершенствуясь в процессе практического применения для выработки обоснованных способов управления эволюционным процессом с учетом многообразных экологических проблем современности.
Среди доказательств синтетической теории эволюции можно выделить следующие:
1. Данные палеонтологии
Ископаемые переходные формы – формы организмов сочетающие в себе признаки более старых и более молодых групп.
Палеонтологические ряды – это ряды ископаемых форм, эволюционно связанные друг с другом.
Последовательность ископаемых форм – ископаемые организмы, жившие в один и тот же период.
Данные биогеографии
Данные этой науки позволяют заметить, что чем дальше друг от друга изолированы участки суши, тем сильнее их различия в видовом составе, например, Австралия. В некоторых частях планеты были найдены реликты, т.е. живые ископаемые: ящерица гаттерия, кистеперая рыба латимерия, растение гинкго.
Данные морфологии и анатомии
Глубокое морфологическое и анатомическое сходство может показать родство сравниваемых групп. Существуют также некоторые специфические подходы:
наличие рудиментарных органов (органы или структуры, сравнительно недоразвитые, но у предковых форм выполняющие важную функцию: ушные мышцы, третье веко, копчик, слепая кишка);
атавизмы – возвращение рудиментарных органов к размерам предковых форм.
Данные эмбриологии
Существуют два основных доказательства:
выявление зародышевого сходства на основе закона К. Бэра;
принцип реакпитуляции, установленный Дарвином и Геккелем.
Данные систематики
Наличие переходных форм. Например, между животными и растениями – эвглена зеленая; между червями и членистоногими – перипатус.
Данные экологии
Экология вскрывает значение приспособленности организмов к условиям окружающей среды и появление таких приспособлений в ходе эволюции.
Данные генетики и селекции
Генетика определила механизмы наследственности и изменчивости, т.е. сам механизм эволюции. Селекция позволяет в искусственных условиях проследить действие факторов эволюции.
Данные молекулярной биологии
Позволяют судить о сходстве строения основных молекул, составляющих живой организм, и протекания процессов во всех живых организмах.
Элементарный эволюционный материал, согласно СТЭ – генетически различные особи или группы особей. В СТЭ все изменения признаны наследственными, причем наследуется не сама информация, а код наследственной информации, т.е. пределы развития данного признака – норма реакции. Если признак проявляется в пределах нормы реакции, то наследственность называется фенотипической. Если проявление признака происходит вне пределов нормы реакции, то такая изменчивость – мутационная.
Выделяют 3 основных фактора эволюции:
мутационный процесс. Значение фактора: появление элементарного эволюционного материала;
изоляция – возникновение любых барьеров, препятствующих свободному скрещиванию. Значение фактора: нарушение свободного скрещивания, что ведет к закреплению различий между популяциями одного вида;
популяционные волны – колебание численности особей, составляющих популяцию. Значение фактора: популяционные волны подставляют под действие естественного отбора редкие мутации и, наоборот, уничтожают наиболее часто встречающиеся, что ведет к смене генотипа популяции.
Основная движущая сила эволюции – естественный отбор. Он имеет 2-е предпосылки:
гетерогенность особей;
избыточная численность потомства.
9. Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна.
Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1]
Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой”.[2]
Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил”.[3]
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.
Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.
Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.
Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.
Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.
“Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”[4]
. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.
Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.
В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g , то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.
Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).
Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала ничего нет. Замедление вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.
Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремится к бесконечности, а ее частота - к нулю.
Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастает на столько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.
С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и действительно испытывают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.
Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих пор их обнаружить не удалось. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.
Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.
Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает.
Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигает его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры. Таким образом, материя влияет на свойства пространства и времени.
Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Разработанная теория суперструн, которая представляет элементарные частицы в качестве гармонических колебаний этих струн и связывает физику с геометрией, исходит из многомерности пространства. А это означает, что мы на новом этапе развития науки, на новом уровне познания возвращаемся к предсказаниям А. Эйнштейна 1930 г.: “Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образно говоря, берет сейчас реванш и “съедает” материю”[5]
. Возможно, существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие, мы можем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если ее существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из существования кванта пространства также следует существование кванта времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных интервалов.
Заключение.
Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.
Направленность времени, связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира следует из второго начала термодинамики. Направленность времени, определяющая принцип причинности, отличает временные координаты от пространственных, причем для одновременных событий нет симметрии между «правым» и «левым». В современной картине мира в основу положены необратимые процессы, и поэтому возможно единообразное описание живого и неживого миров.
Можно сделать вывод об основных результатах к которым приходит теория относительности:
- относительность свойств пространства-времени;
- относительность массы и энергии;
- эквивалентность тяжелой и инертной масс.
Список литературы
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. – 832с.
Концепции современного естествознания / под ред. С.И. Самыгина. - Ростов/нД: «Феликс», 1997. - 448с.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 1999. – 476с.
Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-11. – М.: Просвещение, 1992. – 160с.
Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ВЛАДОС, 1998. – 232с.
6. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. -М., 1965.
7. Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т. II -М., 1966.
[1]
Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и ее творцы. - М.: Наука, 1984. С. 157
[2]
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. –М..1965.- С. 130.
[3]
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. –М.,1965.- С. 126.
[4]
Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. - М.: Наука, 1985. С. 225.
[5]
Эйнштейн А. Сборник научных трудов Т II. М, 1966. С.243
|