Естествознание как наука

Лекция 1. Особенности естественнонаучного познания

Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

Человек существует в природе. Способ существования тАУ деятельность.

Многие естественнонаучные законы и принципы справедливы и в общественных науках. Например, принцип обратной связи, самоорганизация и т.д.

Три способа познания: аналитический тАУ наука, художественный, чувственный, порой иррациональный тАУ искусство, реконструктивно-пророческий, по большей части иррациональный тАУ религия.

Научный метод.

Метод (от гр. Methodos тАУ путь к чему-либо, способ)- совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.

Область знания, которая специально занимается изучением методов тАУ методология. гр. Logos тАУ учение ).

Наблюдение тАУ метод получения первичных знаний; научное наблюдение характеризуют целенаправленность, планомерность, активность.

Эксперимент тАУ контролируемое воздействие на исследуемый объект. Характеризуется воспроизводимостью.

Измерение тАУ получение количественных закономерностей.

Абстрагирование тАУ переход от чувственно-конкретного к абстрактному, отвлечение от каких-либо менее существенных сторон объекта тАУ идеализация (материальная точка, идеальный газ и т.д. )

Мысленный эксперимент тАУ оперирование идеальными образами (Галилей).

Формализация тАУ особый подход, использующий специальную символику тАУ формализованные искусственные языки; характерна моносемичность тАУ однозначность терминов тАУ но разная для разных наук.

Лекция 2. История естествознания

Естествознание эпохи античности

1) Теокосмогонические мифы тАУ высшая форма мифотворчества, которая содержит зародыши научного знания. Гесиод ВлТеогонияВ»: первичное состояние мира тАУ Хаос усложнение и организация мира от Хаоса к Космосу представление о периодической гибели Космоса и переход к Хаосу и вновь возрождение Космоса.

2) Естествознание начинается с вопроса: из чего состоит все? Субстанция мира тАУ единое основание многообразия вещей.

3) Европейская наука началась с Милетской школы (VI в до н.э.) тАУ Фалес (субстанция - вода), Анаксимандр (апейрон тАУ некое вечное беспредельное, безграничное, бесконечное начало), Анаксимен (воздух ).

4) Гераклит из Эфеса (огонь тАУ самое изменчивое и подвижное вещество).

5) Пифагорейский союз VI тАУ IV вв до н.э. (ВлВсе есть числоВ»). Математика как средство познания мира.

6) Элейская школа - основал Ксенофан. Известны Парменид (два пути познания: путь истины и путь мнения), Зенон (субстанция тАУ бытие как таковое). Апории Зенона.

7) Софисты (платные учителя риторики, логики, философии) тАУ могли доказать что угодно. Не верили в познаваемость мира. Например, Георгий: ВлНичего не существует, если бы и существовало, то было бы непознаваемо; если бы и было познаваемо, то не было бы передаваемо другимВ».

8) Аристотель тАУ первый исследователь природы (лучший ученик Платона - ВлПлатон мне друг, но истина дорожеВ», учитель Александра Македонского).

Основал Ликей тАУ философскую школу.

Идеи не могут существовать отдельно от вещи (противоположно Платону).

Мир состоит из вещей. Каждая вещь тАУ соединение материи и формы. Чтобы стать вещью, материя должна принять форму.

1)ВаВаВаВаВа мир делится на надлунный (идеальный, где возможно движение только по окружности) и подлунный. Основной закон механики Аристотеля: в подлунном мире v ~ F (скорость пропорциональная силе). Объяснение тАУ теория импетуса (Филопон) тАУ Влдвижущая силаВ» у каждого движущегося тела.

2)ВаВаВаВаВа движение тАУ естественное (легкое тАУ вверх, тяжелое тАУ вниз) и насильственное.

3)ВаВаВаВаВа каждый организм = реализация определенной формы. Животные тАУ кровяные, бескровные (беспозвоночные), между животными и растениями - губки, медузы.

4)ВаВаВаВаВа Геоцентризм (Земля в центре мира) тАУ Птолемей создал теоретическую базу. Теория эпициклов для объяснения некругового вращения планет.

Основоположники атомизматАУ Демокрит и Эпикур в Греции, Тит Лукреций Кар тАУ в Древнем Риме.

Развитие математики тАУ Пифагор (ввел понятие иррациональности), Евклид метод аксиом, основатель геометрии Евклида. Архимед (определил значение числа ? ,положил начало гидростатике, создал множество механических приспособлений, один из последних представителей античного естествознания)

В античной науке познавательный элемент был больше, чем ценностный ( П тАє ц ).

4.Естествознание средних веков.

В Европе - усиление влияния Церкви. Философия тАУ ВлслужанкаВ» богословия. (Ц > п), Бог тАУ высшая ценность.

Упадок европейской науки до XIII вв. На Востоке тАУ прогресс науки. На арабский язык были переведены основные труды древнегреческих ученых тАУ в VIII-IX вв. Мухаммад альтАУБаттани (астрономические таблицы), Ибн - Юнас (тригонометрия, лунные и солнечные затмения),Ибн аль-Хайсам (оптика), Ибн-Рушд (виднейший философ и естествоиспытатель, считавший своим учителем Аристотеля).

В XIII в начался подъем европейской науки. Оксфордский университет.

Лекция 3. Научные революции

Естествознание эпохи Возрождения. Первая научная революция

Конец XV-XVI веков тАУ переход от Средневековья к Новому времени тАУ эпоха Возрождения (возрождение культурных ценностей античности).

1)ВаВаВаВаВа Первая научная революция связана с появлением гелиоцентрического учения польского астронома Николая Коперника (1473 тАУ 1543). Труд ВлОб обращениях небесных сферВ». Объяснение движения планет без эпициклов. Земля тАУ одна из планет Солнечной системы. Учение было запрещено церковью.

Однако на основе гелиоцентрической системы в 1582 г. была проведена церковная реформа календаря: на смену юлианскому пришел григорианский.

2)ВаВаВаВаВа Итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600) пошел дальше Коперника тАУ бесконечность Вселенной, множественность миров. Сожжен на Площади Цветов в Риме в 1600 г. как нераскаявшийся еретик.

3)ВаВаВаВаВа Появление методологии тАУ Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт (Картезий). Главная ценность тАУ объективное познание мира.

4)ВаВаВаВаВа Галилео Галилей (1564 тАУ 1642). Новое механистическое естествознание. Блестящий экспериментатор. Естественнонаучное обоснование гелиоцентрической системы в труде ВлДиалог о двух системах мира тАУ Птолемеевской и КоперниковойВ». Суд инквизиции, отречение от взглядов.

5)ВаВаВаВаВа Первые теоретические концепции, объясняющие фундаментальные характеристики живого.

6)ВаВаВаВаВа Научная революция XVII в. завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643-1727)

6.ВаВаВаВаВа Естествознание Нового времени (XVII тАУ XIX вв.)

Исаак Ньютон тАУ дифференциальное и интегральное исчисления, важные астрономические наблюдения, завершение дела Галилея по созданию классической механики. Три закона механики, закон всемирного тяготения. Основной труд тАУ ВлМатематические начала натуральной философииВ» тАУ 1687 г. Предложил научно-исследовательскую программу, которую он назвал Влэкспериментальной философиейВ» тАУ механистическую.

Проблема философского метода.

Истоки противоположности двух методов тАУ в древности. Гераклит: ВлВсе течет, все изменяетсяВ», Ксенофан, Парменид,Зенон тАУ мир неподвижен, неизменен, так как всякое изменение тАУ это противоречие, что невозможно.

На определенном этапе научного познания природы метафизический метод был неизбежен, так как облегчал процесс познания. В рамках метафизического подхода проводилась классификация явлений природы. Карл Линней ВлСистема природыВ»- предложен принцип такой классификации для живой природы. Градация: класс, отряд, род, вид, вариация. 6 классов животного мира (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые) и 24 класса растительного. Однако Линней не усмотрел в этой классификации развития.

Дальнейшее развитие естествознания требовало его диалектизации.

7.Научная революция 18-19 веков. Крушение механистической картины мира

Сутью научной революции 18-19 вв. является диалектизация естествознания.

1)ВаВаВаВаВа Немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) ВлВсеобщая естественная история и теория небаВ»- попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.

2)ВаВаВаВаВа Пьер Симон Лаплас ВлИзложение системы мираВ» тАУ независимо от Канта пришел к тем же выводам. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

3)ВаВаВаВаВа в XIX в идеи развития распространились на все естествознание. Английский естествоиспытатель Чарльз Лайель (1797-1875) ВлОсновы геологииВ» - идеи геологического эволюционизма.

4)ВаВаВаВаВа Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) ВлПроисхождение видов в результате естественного отбораВ». Развитие- это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде.

5)ВаВаВаВаВа Ботаник Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881), биолог Теодор Шванн (1810-1882)- создатели клеточной теории (все растения и животные состоят из клеток).

6)ВаВаВаВаВа Широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире продемонстрирована с открытием закона сохранения и превращения энергии. Первооткрывателями его считаются немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и английский исследователь Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889). Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.

7)ВаВаВаВаВа Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800-1882) тАУ синтезировал первое искусственное органическое вещество тАУ мочевину.

8)ВаВаВаВаВа Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) - периодическая таблица элементов.

9)ВаВаВаВаВа Французский биолог Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829)- гипотеза эволюции живой природы.

Принципы:

а) градации (стремление к совершенству),

б) прямого приспособления к условиям внешней среды.

Законы:

а) изменения органов под действием упражнений,

б) наследования признаков новыми поколениями.

Механистические взгляды на материальный мир господствовали до XIX века. Все закономерности материального мира сводились к законам механики. С открытием электрического заряда пришлось пересматривать взгляды.

1)ВаВаВаВаВа Француз Шарль Огюст Кулон (1736-1806) тАУ закон взаимодействия электрических зарядов.

2)ВаВаВаВаВа Англичанин Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Кроме вещества, в природе существует еще и поле.

3)ВаВаВаВаВа Англичанин Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) ВлТрактат об электричестве и магнетизмеВ»- математическая теория электромагнитного поля.

4)ВаВаВаВаВа Немец Генрих Рудольф Герц (1857-1894) экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Естественнонаучная революция 20 века.

В конце XIX - начале XX века был сделан каскад научных открытий, которые привели к коренному пересмотру физической картины мира.

1)ВаВаВаВаВа Французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление спонтанного излучения солей урана.

2)ВаВаВаВаВа Французские физики Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) открыли новые радиоактивные элементы.

3)ВаВаВаВаВа Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу тАУ электрон и предложил первую модель атома.

4)ВаВаВаВаВа Английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил новую, планетарную модель атома. Она основывалась на экспериментах Ганса Гейгера (1882-1945) и Эрнста Марсдена (1889-1970).

5)ВаВаВаВаВа Датский физик Нильс Бор (1885-1962) разработал квантовую теорию строения атома. Постулаты: в атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, в которых атом не излучает. При переходе из одного состояния в другое атом излучает или поглощает квант энергии.

6)ВаВаВаВаВа Немецкий физик Макс Планк (1858-1947) положил начало квантовой теории, выдвинув гипотезу о дискретном испускании электромагнитного излучения.

7)ВаВаВаВаВа Альберт Эйнштейн (1879-1955) дополнил гипотезу Планка положениями, что электромагнитное излучение распространяется и поглощается порциями (квантами). Создал теорию относительности, основанную на том, что пространство и время не абсолютны.

8)ВаВаВаВаВа Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Корпускулярно-волновой дуализм.

9)ВаВаВаВаВа Появилась электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, используемых для передачи, обработки и хранения информации. В 1940 г американский математик Норберт Виннер предложил использовать в вычислительных машинах не десятичную, а двоичную систему счисления, разработанную Джоржем Булем в 19 в. На основе идей Виннера была создана общая теория информации и связи.

10)ВаВаВа Этапы развития электронно-вычислительной техники. 1-е поколение тАУ ламповые вычислительные машины. Второе поколение тАУ полупроводниковые ЭВМ. В середине 60х годов появились интегральные схемы. На них основано третье поколение ЭВМ. В начале 80х годов стали выпускать микросхемы, содержащие до 100 тыс. элементов в кубическом сантиметре. Сейчас выпускают большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (более млн. элементов). Один из путей развития электроники тАУ создание микросхем на основе белковых структур.

Лекция 4. Современное естествознание

Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века (открытие цепной ядерной реакции - О. Ган, Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), подготовили уникальное событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР), которая началась во второй половине XX века, когда совпали по времени и научная и техническая революции.

Первый этап НТР начался в 50х годах ХХ в.

1)ВаВаВаВаВа В 1953 году была раскрыта структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), что послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

2)ВаВаВаВаВа В 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция в Обнинске.

3)ВаВаВаВаВа Появилась кибернетика. Электронно-вычислительная техника.

4)ВаВаВаВаВа Космические исследования. Ракетно-космическая техника.

Второй этап НТР начался со второй половины 70х годов и продолжается до сих пор.

1)ВаВаВаВаВа В последние десятилетия биология достигла грандиозных успехов, когда сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий. Генная инженерия. Расшифровка генома человека.

2)ВаВаВаВаВа Новые технологии: гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.

3)ВаВаВаВаВа Информатизация общества на основе персональных компьютеров. Интернет.

4)ВаВаВаВаВа Нанотехнологии, оптоэлектроника, электроника высоких скоростей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Корпускулярно-волновой дуализм.

Поле тАУ сплошная среда, имеющая различные параметры (поле скоростей, температур и т.д.)

Дискретность тАУ ВлзернистостьВ» тАУ означает делимость пространства- времени, строения и форм движения (скачки). (Например, множество целых чисел).

Континуальность тАУ непрерывность, целостность объекта. (Например, множество действительных чисел).

Луи де-Бройль: все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами. E = h?, E=mc2, ?=h/mv.

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Существует различие между обратимыми и необратимыми процессами. Законы классической механики являются обратимыми.

Характер протекания процессов в природе определяется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении тАУ в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим.

В обратимых процессах сохраняется некоторая физическая величина, названная Клаузиусом энтропией. В необратимых процессах энтропия возрастает. Людвиг Больцман связал энтропию S с натуральным логарифмом статистического веса W (или термодинамической вероятности макросостояния, то есть числом микросостояний, которыми может быть осуществлено каждое макросостояние). S = k lnW (k тАУ постоянная Больцмана).

Энтропия тАУ мера неупорядоченности системы (хаоса). Энтропия возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.

По Эддингтону возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть Влстрела времениВ».

Лекция 5. Структурные уровни организации материи

Концепции описания природы.

Сложился культурно-исторический подход к анализу развития естествознания.

парадигма (гр.пример, образец) тАУ признанные всеми научные достижения, система теоретических представлений и философских обобщений.

В основе Влжесткого ядраВ» физической исследовательской программы лежит базисная теория. Например, квантовая теория поля, как базисная, формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц и т.д.

Типы физических исследовательских программ: механистическая (Ньютон), релятивистская (Эйнштейн), квантово-полевая (Планк), в настоящее время строится теория Суперобъединения (единая теория поля).

Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. Пространство и время.

Взаимодействие Частицы ВаВаВа Максимальн. радиус действ.ВаВаВаВаВаВаВаВаВа Относит. интенсивн.ВаВаВаВаВаВаВаВа Кванты сильноеВа адроныВаВаВаВаВа 10-15 мВаВаВаВа 1ВаВаВаВаВа глюоны

электромагнитное ВаВаВаВаВаВа все заряж. ч-цыВа ?ВаВаВаВаВаВа 10-3 фотоны слабоеВаВаВа все ч-цы, кроме фотонаВаВаВаВаВаВа 10-18 мВаВаВаВа 10-14ВаВаВаВаВаВаВаВа бозоны (W+,W-,Z) гравитац.ВаВаВаВаВаВаВа все ч-цыВаВаВаВа ?ВаВаВаВаВаВа 10-36ВаВаВаВа гравитоны

Элементарные частицы: 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов, фотон тАУ всего 57 элементарных частиц.

Микромир тАУ объекты, меньшие 10-6м, наблюдаемые с помощью приборов.

Макромир - доступный наблюдению человека тАУ от 10-6м до порядка 1 астрономической единицы (150 млн.км -большая полуось земной орбиты).

Мегамир тАУ все за пределами солнечной системы (границы наблюдаемой Вселенной тАУ10 26м).

Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые не связаны с материей, однородны и изотропны. (Это субстанциональная концепция) Р.Декарт тАУ ввел систему координат евклидовой геометрии. (В реляционной концепции пространство и время рассматриваются как системы отношений между взаимодействующими объектами).

Н.И. Лобачевский и Георг Риман тАУ предложили неевклидовы геометрии. Пространство и время составляют континуум, свойства которого зависят от материи.

В настоящее время пространство и время трактуются как формы существования материи. Они неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Наше пространство трехмерно. (Но в принципе возможны Вселенные с другим числом пространственных измерений). Свойства пространства зависят от скорости движения системы отсчета, от наличия гравитационных полей.

l = lo v (1-v2/c2)

Время течет в одном направлении тАУ от прошлого к будущему. Ход времени зависит от скорости протекания процессов (химическое, биологическое, геологическое время тАУ 1 секунда геологического времени = 100 тыс. лет исторического), зависит от скорости движения инерциальной системы отсчета

( СТО):

t =to/v 1-v2/c2

Современная физика связывает необратимость времени с необратимыми тепловыми процессами.

Некоторые принципы современной физики.

Современная физика, как и классическая, признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности.

1.ВаВаВаВаВа 1.Близкодействия тАУ взаимодействие распространяется с конечной скоростью, через поле (ранее Р.Декарт ввел принцип дальнодействия - мгновенно на любом расстоянии). Максимальная скорость тАУ скорость света в вакууме.

2.ВаВаВаВаВа Целостности тАУ существует взаимодействие частиц с определенными состояниями физического вакуума, частицы могут рождаться из физического вакуума.

3.ВаВаВаВаВа Запрета (Паули) тАУ для фермионов: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.

4.ВаВаВаВаВа Тождественности тАУ состояния системы, полученные перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

5.ВаВаВаВаВа Симметрии волновой функции для системы тождественных частиц тАУ (симметрия тАУ инвариантность свойств системы при некоторых преобразованиях ее параметров) тАУ существует обменное взаимодействие между частицами (Гейзенберг).

6.ВаВаВаВаВа Эквивалентности тАУ (в основе ОТО)- ускорение эквивалентно однородному полю тяготения. Следствие тАУ равенство инертной и гравитационной масс.

7.ВаВаВаВаВа Соответствия (Н.Бор) тАУ любая неклассическая теория в предельном случае переходит в классическую. (Пример тАУ СТО тАУ классическая механика).

8.ВаВаВаВаВа Неопределенности (В.Гейзенберг) тАУ невозможность одновременно точного определения координаты и импульса частицы: ?x.?px?h.

9.ВаВаВаВаВа Дополнительности тАУ волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают, а дополняют друг друга. Этот принцип утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения.

10.ВаВаВа Суперпозиции тАУ два тела взаимодействуют друг с другом независимо от наличия других тел.

11.ВаВаВа Относительности (Галилея тАУ в классической механике, Эйнштейна тАУ в релятивистской): все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны относительно любых физических явлений. Релятивистская физика отказывается от принципов механистического детерминизма.

И другие принципытАж

Лекция 6. Состояние и способы его описания

Динамические и статистические закономерности в природе.

Понятие состояния - центральный элемент физических теорий - совокупность данных, характеризующих объект в данный момент времени. Для задания состояния системы необходимо:

1)ВаВаВаВаВа определить параметры состояния тАУ совокупность физических величин, описывающих явление,

2)ВаВаВаВаВа выделить начальные условия (параметры в начальный момент времени),

3)ВаВаВаВаВа 3)применить законы, описывающие эволюцию системы.

Закон - объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся связь между явлениями и событиями.

Структурность и системность - общие свойства материи.

Структурность тАУ внутренняя расчлененность материи.

Системность тАУ организованность, упорядоченность существования материи.

Единство структурности и системности тАУ определяет существование мира как систему систем: система объектов, система свойств или отношений и т.п.

Бытие тАУ сложноорганизованная иерархия систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом.

Система - комплекс взаимодействующих элементов (неразложимых компонентов системы). По характеру связей между элементами системы и с окружающей средой системы делятся на:

a)ВаВаВаВаВа суммативные (элементы автономны) и целостные (каждый элемент зависит от целостности);

b)ВаВаВаВаВа открытые (обменивающиеся энергией, ве6ществом, информацией с окружающей средой) и закрытые (элементы взаимодействуют только между собой).

Лекция 7. Законы сохранения в макропроцессах

Теорема Нётер и законы сохранения.

В 1918 г. Эмми Нётер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. (Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией).

a.ВаВаВаВаВаВа закон сохранения энергии тАУ следствие временной трансляционной симметрии (однородности времени),

b.ВаВаВаВаВа закон сохранения импульса тАУ трансляционной симметрии (однородности) пространства,

c.ВаВаВаВаВаВа закон сохранения момента импульса - симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства) и т.д.

Диссипация энергии - (необратимый процесс) - переход энергии из одних форм в другие, более низкие по классу (самая низкая тАУ тепловая энергия).

Закон сохранения и превращения энергии - всеобщий закон Природы.

В обратимых процессах S= const, в необратимых - S^. (Отличие прошлого от будущего ).

В равновесных состояниях S= const и max, а энергия min.

Принцип Больцмана тАУ любое макросостояние может быть осуществлено определенным числом микросостояний (W).

Законы термодинамики.

I.ВаВаВаВаВаВа (Закон сохранения энергии) ?U=Q тАУ A (изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты минус работа системы). Первый закон не указывает направления тепловых процессов.

II.ВаВаВаВаВа Несколько формулировок:

a)ВаВаВаВаВа процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара, невозможен;

b)ВаВаВаВаВа невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре (Карно);

c)ВаВаВаВаВаВа тепло не может передаваться самопроизвольно от холодного тела к горячему;

d)ВаВаВаВаВа энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает.

II закон устанавливает наличие фундаментальной асимметрии в природе - однонаправленности самопроизвольных процессов.

III.ВаВаВаВа Невозможно достижение абсолютного нуля ( 0К = - 273,15 оС) как сверху, так и снизу.

В 18 веке произошла промышленная революция (паровые машины - Уатт, Стефенсон, Фултон, Черепанов; цикл Карно; телеграф - Морзе).

21.Эволюционно-синергетическая парадигма.

Синергетика тАУ теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. (Совокупность идей о принципах самоорганизации и суммы общих математических методов ее описания).

Самоорганизация - возникновение порядка из хаоса без управляющего воздействия извне, за счет внутренней перестройки системы тАУ общее свойство сложных (состоящих из множества элементов), открытых (находящихся в состоянии обмена энергией, веществом, информацией с окружающей средой), нелинейных (описываемых нелинейными уравнениями) и неравновесных (находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия) систем.

Обратная связь тАУ непременный атрибут самоорганизации, а именно положительная ОС (усиливающая) тАУ изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к появлению нового порядка и структуры. Отрицательная (успокаивающая) ОС приводит к устранению внешнего воздействия.

Эволюция - постепенное развитие. Развитие самоорганизующейся системы проходит через скачки (точки бифуркации, в которых имеется несколько возможных направлений развития).

Кибернетика (Влискусство управленияВ») тАУ изучает системы с отрицательной ОС.

Составляющие эволюционно-синергетической парадигмы.

a)ВаВаВаВаВа принцип глобального эволюционизма,

b)ВаВаВаВаВа концепция фундаментального единства материи,

c)ВаВаВаВаВаВа представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в природных и социальных системах,

d)ВаВаВаВаВа принцип необратимости эволюции.

Примеры самоорганизации в неживой природе - реакция Белоусова-Жаботинского, лазер, сверхпроводимость. (Эффект Мейснера тАУ явление полного вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при понижении температуры ниже критической).

22. Связь между энтропией и информацией.

Информация тАУ центральное понятие кибернетики.

тАвВаВаВаВаВаВаВа одна из сущностей мира (материя - дух - информация);

тАвВаВаВаВаВаВаВа философская категория;

тАвВаВаВаВаВаВаВа всеобщее свойство материи;

тАвВаВаВаВаВаВаВа сведения, которыми обменивается система;

тАвВаВаВаВаВаВаВа система знаков;

тАвВаВаВаВаВаВаВа мера свободы чьего-либо выбора, логарифм доступных выборов.

Информационная энтропия тАУ мера неполноты информации о внутренней структуре системы.

Теорема Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.

Лекция 8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.

23.Гипотезы образования Вселенной.

1)ВаВаВаВаВа Больцман тАУ флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и существуют отдельные миры.

2)ВаВаВаВаВа Фридман А.А. тАУ Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо пульсировать.

3)ВаВаВаВаВа Сахаров А.Д. тАУ до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в сингулярность.

4)ВаВаВаВаВа Бонди, Голд, Хойл (Кэмбридж) тАУ гипотеза Влстационарной ВселеннойВ» тАУ идея непрерывного творения материи.

5)ВаВаВаВаВа В настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10тАУ30 секунд наличием во второй модели стадии инфляции (раздувания).

Хаббл обнаружил ВлразбеганиеВ» галактик - расширение Вселенной в настоящее время. Фотометрический парадокс тАУ Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно быть освещено равномерно.

Время существования Вселенной тАУ 13-20 млрд лет.

Галактики - спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь. Квазары тАУ ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже излучение не может выйти наружу.

Лекция 9. Химические процессы

Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов.

Открыт в 1869 г., в то время в таблице было 62 элемента. Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк тАУ ввел понятие валентности, связав его с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

Гайтлер и Лондон тАУ предложили модель электронного облака вокруг ядра.

Эрнест Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: в ядре протоны 11p (положительно заряженные частицы) и нейтроны 01n (незаряженные частицы). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы тАУ электроны. Число протонов равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.

Изотопы тАУ совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Место и роль химии в современной цивилизации.

Основные понятия химии:

1)Молекула тАУ мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства. Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между атомами в молекуле 1 тАУ 4 ангстрема (1A=10тАУ10м). В настоящее время молекулы, макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них тАУ органические.

2)Типы химических связей:

-ионная (один атом отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;

-ковалентная (возникает обобществленная пара электронов), например, Si, H2;

-водородная (атом Н соединен ковалентной связью с другим атомом так, что его водородная часть оказывается положительной и соединенной с третьим атомом) тАУ самая слабая, но наиболее распространенная в природе.

3)Принцип Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).

4)Валентность тАУ число электронов на внешнем уровне.

5)Химические реакции тАУ образование новых соединений из реагентов.

Время реакции тАУ примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10тАУ15с.

-ВаВаВаВаВаВаВа экзотермические тАУ с выделением энергии,

-ВаВаВаВаВаВаВа эндотермические тАУ с поглощением энергии,

-ВаВаВаВаВаВаВа для начала химической реакции необходима энергия активации;

-ВаВаВаВаВаВаВа фотохимические реакции тАУ под действием света;

-ВаВаВаВаВаВаВа цепные реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например, фотохимическая цепная реакция:

Cl + H2 HCl + H,

H + Cl2 HCl + Cl, и т.д. )

-ВаВаВаВаВаВаВа катализаторы (и ингибиторы) тАУ вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию активации стараются снизить с помощью катализаторов;

-ВаВаВаВаВаВаВа самопроизвольные химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);

-ВаВаВаВаВаВаВа химические реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E тАУ TS).

Особенность химии тАУ она сама создает объект своей науки.

Фундаментальные основы современной химии:

-ВаВаВаВаВаВаВа квантовая механика;

-ВаВаВаВаВаВаВа атомная физика;

-ВаВаВаВаВаВаВа термодинамика;

-ВаВаВаВаВаВаВа статистическая физика;

-ВаВаВаВаВаВаВа физическая кинетика.

Значение химии в современной цивилизации. Химия связана с:

тАвВаВаВаВаВаВаВа химической промышленностью;

тАвВаВаВаВаВаВаВа сельским хозяйством;

тАвВаВаВаВаВаВаВа фармакологией;

тАвВаВаВаВаВаВаВа пищевой промышленностью,

тАвВаВаВаВаВаВаВа производством СМС, лаков и красок.

Химия внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ тАУ дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC6H4)2CH-CCl3).

Концептуальные уровни современной химии.

Сложились 4 подхода к решению основной задачи тАУ 4 концептуальных уровня химических знаний:

1.ВаВаВаВаВа Учение о составе (17 тАУ 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие ВлмолекулаВ» тАУ микрочастица, способная к самостоятельному существованию)

2.ВаВаВаВаВа Структурная химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической активности отдельных фрагментов; хиральность тАУ неодинаковость свойств веществ с левосторонней и правосторонней симметрией)

3.ВаВаВаВаВа Учение о химических процессах (с 1950тАУх г.) (область взаимного проникновения химии, физики и биологии)

4.ВаВаВаВаВа Эволюционная химия (с 1970тАУх г.) (поиск условий, при которых в процессе химических превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).

Основные направления современной химии. Химические процессы.

Химию принято разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия тАУ наиболее крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе химических реакций.

Основная задача современной химии тАУ исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

А.Е. Арбузов: ВлПодражание живой природе есть химизм будущегоВ». Основные направления биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.

Новые направления: химия экстремальных состояний (высокие температуры и давления), плазмохимия, элионные технологии тАУ химические процессы в электрических полях.

Сущность химической эволюции.

В настоящее время открыты и получены на ускорителях 118 элементов.

6 из них - органогены (основные элементы биологических систем):

C, O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях. 12 элементов тАУ Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %. Всего ~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 тАУ неорганические соединения.

На Земле: O тАУ47,0%, Si тАУ 27,5%, Al тАУ 8,8%, Fe тАУ 4,6%, Ca тАУ3,6%, Na - 2,6%, K тАУ2,5%, Mg тАУ 2,1%. С тАУ на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S тАУ 0,24 %.

Таким образом, геохимические условия не сыграли существенной роли в отборе химических элементов для формирования органических систем.

Принципы отбора химических элементов:

1)ВаВаВаВаВа способность образовывать прочные энергоемкие химические связи;

2)ВаВаВаВаВа лабильность( изменчивость) образуемых химических связей.

Органоген №1 тАУ углерод!

В биохимии особую роль играют три класса молекул мономеров:

Аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и моносахариды (мономеры полисахаридов).

В организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Из 100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков.

Белок состоит из тысяч аминокислот и имеет сложную структуру.

Нуклеиновые кислоты тАУ ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - самые крупные молекулы в живых организмах.

Роль воды в живой материи.

Вода имеет уникальные свойства:

-ВаВаВаВаВаВаВа большие поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам трубок);

-ВаВаВаВаВаВаВа в воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет полярные вещества);

-ВаВаВаВаВаВаВа имеет высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;

-ВаВаВаВаВаВаВа имеет максимальную плотность при +4Со, при кристаллизации объем резко увеличивается;

-ВаВаВаВаВаВаВа вода тАУ среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь зародилась в воде!

Лекция 10. Современные концепции развития геос

Вместе с этим смотрят: