Geum.ru

Структура и предмет естествознания. Часть I. Основные категории и понятия естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Основные категории и понятия естествознания.
Часть ii.
Часть iii.
Структурные уровни естествознания.
Эволюционное дерево
Подобный материал:
Министерство образования Российской Федерации

Владивостокский государственный университет

экономики и сервиса


КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Исполнитель: доцент кафедры

Физики, химии

и прикладной механики

Л.Р. Родкина


ВЛАДИВОСТОК

2005

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ

§1. Феноменология Мира.
§2. Феноменология естественного языка.
§3. Структура и предмет естествознания.

ЧАСТЬ I.
ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ И ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

§1. Порядок и Хаос.
§2. Структура и система.
§3. Рост структур.
§4. Энтропия и информация.
§5. Симметрия и группа.


ЧАСТЬ II.
СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Введение. Способы описания природных систем.

Глава I. МИКРОМИР

§1. Свойства микрообъектов.
§2. Мир элементарных частиц.
§3. Кварки и теория великого объединения.

Глава II. МЕГАМИР

§1. Метагалактика и общая теория относительности )ОТО).

Глава III. МАКРОМИР

§1. Солнечная система и Земля.
§2. Биолого-химическая эволюция на Земле.
§3. Экологические проблемы и сохранение жизни на Земле.

ЧАСТЬ III.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

§1. Логика креационизма.
§2. Логика антропной концепции.
§3. Естественнонаучная концепция.


СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Способы описания природных систем.

При пространственно-временном описании событий, происходящих с реальными природными объектами, которые можно наблюдать непосредственно, или каким-либо способом опосредованно, наиболее заметной характеристикой объекта оказываются его размеры. С помощью этой характеристики все природные образования удается условно разбить, по крайней мере, на три группы (и соответствующие им структурные уровни), образующие микро-, макро- и мегамир. Основу описания природных явлений и объектов составляет отношение между системами и их математическими моделями.

МИКРОМИР.

§1. Свойства микрообъектов

При фотоэффекте и некоторых других процессах взаимодействия с веществом микрообъекты ведут себя почти как механические частицы макромира (упругие шарики). Особенность взаимодействия с веществом заключается в том, что величина энергии передается порциями (квантами). Поэтому говорят, что теория, описывающая процессы в микромире, является квантовой теорией.

Основной экспериментальный закон микромира, записанный впервые Гейзенбергом, выглядит следующим образом:



где - константа, предложенная Планком в 1900 году для объяснения квантовых свойств света при излучении. (Эта дата считается началом создания квантовой теории микромира).

Расчет показал, что в момент прохождения микрообъекта через дифракционное отверстие принципиально невозможно точно указать его координату и импульс, а разброс возможных значений параметров движения (обозначим их в произведении составляет величину не превышающую постоянной .

Уравнение движения для микрочастиц, учитывающее волновую природу объектов, было впервые записано Шредингером и оно имеет следующий вид:

,

где величина  называется волновой функцией микрообъекта и определяет состояние, поведение исследуемой системы частиц, величина - характеризует полную энергию частицы в системе, а символ определяет математическую операцию по процедуре вычисления полной энергии. Знание вида -функции, удовлетворяющей уравнению Шредингера в конкретной задаче позволяет вычислить и затем представить наглядно распределение вероятностей для местонахождения микрообъекта.

Электронная плотность в атомах и молекулах образует атомные и молекулярные орбитали: обмениваясь электронами, обобществляя их, атомы вступают в химическую ковалентную связь;



появляются молекулы, что и дает такое разнообразие структур вещества и форм проявления жизни при образовании клеточных организмов - будущих объектов макромира.


§2. Мир элементарных частиц.

Если принять размеры атома, состоящего из ядра и электронов, за среднюю стандартную величину в микромире (10-10м), то размеры крупных молекул больше этого стандарта на 5 порядков.

На  5  порядков  меньше  стандарта  размеры  атомных  ядер (~10-15м), в свою очередь состоящих из нуклонов - ядерных элементарных частиц нейтронов (n) и протонов (p). Вместе с другими элементарными частицами, открытыми на ускорителях и в потоке космического излучения (как правило, вторичного, образовавшегося при бомбардировке ядер атомов атмосферы стабильными, долго "живущими" частицами) они составили первую классификацию частиц (по массе).


Рис.1. Классификация элементарных частиц (по массе)

Взаимодействие, связывающее нуклоны в ядре, оказалось намного сильнее электрического отталкивания одноименно заряженных протонов, поэтому этот тип взаимодействия был назван "сильным". Но, находясь в свободном состоянии, большинство частиц являются неустойчивыми и превращаются в другие частицы. Их "толкает" к этому внутреннее, так называемое, "слабое" взаимодействие. Таким образом, в природе на уровне физических взаимодействий можно считать открытыми четыре типа: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Их называют фундаментальными взаимодействиями.




Истинный вакуум переходит в спокойное низкое энергетическое состояние (так же как при испарении жидкость охлаждается). Параллельно, в других точках флуктуирующего физического вакуума могут происходить схожие процессы с образованием других доменов, которые характеризуются такими же или другими фундаментальными параметрами (c, G, ) и другой топологией. Меняется, например, размерность пространства-времени.

§3. Теория великого объединения.

На рисунках образно и графически представлены сценарии развития нашей Вселенной в соответствии с описанным сценарием.



МЕГАМИР.

§1. Метагалактика

Первые исследования мегамира были начаты в астрономии, в рамках которой элементами, первокирпичиками Вселенной можно считать звезды, составляющие затем звездные скопления - галактики и, наконец, Метагалактику. Единицами измерения расстояний в современной астрофизике являются парсек ( м) и световой год (1пс = 3,25 св.г.). Размеры Метагалактики оцениваются величиной м = 10000Мпс. Космическое межзвездное и межгалактическое пространство содержит межзвездную среду и излучения. На расстояниях в масштабе 30 Мпс неравномерно распределены отдельные структурные единицы - звездные скопления. Однако, при расстояниях в масштабах 100 Мпс отклонения от средней плотности вещества составляет уже только около 30% при общей плотности Метагалактики, оцениваемой приближенно величиной кг/м3. Поэтому считается, что в масштабах более 200 Мпс Вселенная однородна.

Существующий радиофон излучения, направленного на Землю со всех сторон Метагалактики, характеризуется одинаковой интенсивностью, а поэтому космическое пространство является изотропным, т.е. не имеет какого-либо выделенного направления. Таким образом, однородность и изотропность Метагалактики являются основными фактами, определяющими ее современное состояние.


Общая теория относительности (ОТО)

Современная теория гравитационного взаимодействия и связанная с ней космологическая модель наблюдаемого состояния Вселенной базируется на ОТО - общей теории относительности, разработанной Эйнштейном.
В неоднородном гравитационном поле (рис. б) системы, связанной с центром масс, ускорения системы отсчета СО в различных точках пространства оказываются разными  , что в ОТО можно трактовать как изменение свойств пространства (точнее пространства-времени, связь между которыми была установлена еще в специальной теории относительности Эйнштейна). Геометрическим "образом" зависимости свойств пространства-времени от положения, т.е. в различных точках, является искривленное геометрическое пространство. Свободное движение тел в таком пространстве происходит по линиям, называемым геодезическими. Уравнения Эйнштейна в ОТО связывают величины, описывающие искривленность пространства-времени (т.е. величину поля тяготения) с величинами (энергии-массы), создающими это искривление (т.е. создающими поле тяготения). Зависимость свойств трехмерного пространства в каждой точке уже не удается описать на языке векторов сил или ускорений. Пространство-время становятся метрическими свойствами гравитационного поля. Говорят, что поле обладает анизотропией.


М А К Р О М И Р

§1. Солнечная система.

Расстояния, характеризующие макромир, оценим в интервале от размеров крупных молекул (глобулы имеют средние размеры, равные м ) до величины среднего расстояния от Солнца до внешних планет, измеряемое десятками астрономических единиц (до Плутона, например, около 40 а.е. =м). За основу анализа явлений в макромире примем эволюционный подход, базирующийся на теории инфляции и Большого взрыва, породившей в итоге химические элементы. Легкие элементы - водород и гелий - на начальном этапе рождения нашей Вселенной (Метагалактики) образовали туманности и звезды. Под действием гравитации звезды сжимались, что приводило к увеличению их температуры, при которой водород и гелий, участвуя в реакции нуклеосинтеза, порождали углерод, кислород, кремний, кальций и, наконец, железо.

Последующие реакции утяжеления ядер до свинца и висмута, которые менее устойчивы, чем ядра железа, происходили при медленном захвате ядрами нейтронов. Если в определенный момент параметры звезды приводили ее к неустойчивому состоянию (гравитация побеждала внутреннее давление), то звезда взрывалась с образованием потока нейтронов. Захват ядрами нейтронов в этих условиях приводил к рождению трансурановых элементов с последующим разбрасыванием образовавшихся ядер в окружающее пространство.

Из появившихся газовых туманностей, одной из которых была Солнечная туманность, образовывались планетные системы.



Вернемся к процессу образования Солнечной системы. Применение классической термодинамики дает хорошее представление о том, как при понижении температуры в горячей в начале примитивной Солнечной туманности появляются молекулы и вещество. Первыми конденсируются и образуют твердую фазу молекулы с высокой температурой плавления, а затем постепенно то же самое происходит с другими молекулами. Теория, подробно рассматривающая этот процесс, называется конденсационной. В результате, Солнечная туманность, которая образовалась при взрыве сверхновой, отделившись от других туманностей Вселенной, могла принять вид газовой сферы с пылью из твердых частиц и с массой примерно равной сегодняшней массе солнечной системы. Процесс дальнейшей эволюции теоретически может иметь три возможных сценария:

1. Вращательный момент сферы равен нулю. Тогда под действием гравитационного притяжения образуется единый объект - Солнце без планетной системы ("глобулярная" модель).

2. Вращательный момент небольшой. Тогда основная часть вещества, по прежнему, концентрируется в центральном объекте - в Солнце, а остальная часть остается в виде туманности, окружающей Солнце. По мере вращения этот "небулярный" газ постепенно принимает форму диска в плоскости, перпендикулярной оси вращения, а затем при понижении температуры концентрируется вокруг отдельных образований, имеющих средние размеры около 10 км. Эти образования названы планетезималями, дальнейшее распределение вещества вокруг которых приводит к окончательному формированию планет.

3. Большой угловой момент. В этом случае сфера расщепляется на два "солнца", а тогда образуются бинарные звезды.

Для нашей Солнечной системы оправдался второй сценарий.

Земля.

При определении возраста земных пород и метеоритов геохронология использует радиологические методы с применением пар элементов, таких как Rb - Sr или K - Ar и другие, для которых экспериментально определяются изотопные "отношения", по которым строится, так называемая, изохронна. Многократная радиологическая оценка возраста метеоритов и земных пород показывает, что Земля существует около 4,5 млрд. лет. Радиационные методы привлечены и для датирования слоистых отложений, периодически разделяющих залегающие в земной коре породы. Речь идет о, так называемой, геологической колонне, которая сопоставляет геологические периоды с формами органической жизни, представленной окаменелостями.

Нетрудно видеть, что в основе построения колонны лежит идея эволюционного развития, что конечно, не отвергает возможности глобальных катастроф и резких изменений климата Земли, а также многочисленных аномальных явлений. Среди последних наибольший интерес вызвали результаты исследования древнего магнитного поля Земли, которое в течение геологического времени неоднократно резко изменялось. Пока неясно, насколько часты были инверсии магнитного поля в мезозойскую эру (200 млн. лет назад), а также в докембрийскую эпоху и не раскрыт механизм этих инверсий. Тем не менее, измерения направлений остаточной намагниченности вулканических пород позволили построить траекторию миграции полюса, происходившую в интервале от 100 млн. лет до 400 млн. лет назад.
К удивлению исследователей, основные точки положения полюса, отмеченные 100, 300, 400 млн. лет назад уложились на карте Земли не на одну, а на две резко отличающиеся друг от друга по координатам траектории (по Озима М.[5]) в зависимости от того, откуда были взяты образцы для исследований - из Африки или Южной Америки, хотя формы самих траекторий были идентичны. Если теперь "жестко" закрепить одну из линий на материке Южной Америки, а другую - Африки и затем сдвигать обе карты так, чтобы совместились обе палеомагнитные линии миграции полюса, то береговые линии двух континентов "подстраиваются" друг под друга, благодаря чему образуется единая область суши.


Так была подтверждена одна из гипотез о существовании континентального дрейфа. В природе движения континентов лежит обмен веществом между корой (верхним слоем поверхности Земли) и мантией (глубины Земли). Геологическое время процессов, происходящих в глубинах и у поверхности Земли, значительно усложняет использование методов геохронологии для точного датирования возраста той или иной породы. Тем не менее, радиологическое датирование, основанное на использовании пар радиоактивных элементов, достаточно достоверно говорит о том, что земная кора сформировалась вскоре (4млрд. лет назад) после рождения Земли.

§2. Биолого-химическая эволюция на Земле

Появление жизни на Земле оказалось возможным благодаря наличию углерода, возникающего в результате нуклеосинтеза легких элементов и благодаря процессам образования, повидимому вторичной атмосферы, при резкой дегазации горных пород, т.е. как следствие вулканической деятельности. В этом процессе пары воды, выделяющиеся из недр высокотемпературной Земли, при охлаждении образовали первые океаны. Затем, морская вода стала постепенно поглощать молекулы из атмосферы, что привело к преобладанию в ней азота . Дальнейшее понижение температуры океана и поверхности Земли привело к началу химической эволюции от простейших молекул ко все более сложным, от простых реакций взаимодействия между молекулами вплоть до появления принципиально нового химического процесса - матричного синтеза для биополимеров.

Как известно, результатом этой эволюции явилось возникновение жизни, существующей на базе открытых самоорганизующихся систем, построенных из биополимеров. Выделенные слова могут быть положены в основу феноменологического определения жизни, как способа существования этих систем. Основные отличия живого от неживого заключаются в появлении организменного состояния систем, в которых и сложные и простые химические структуры выполняют определенные функции, а протекающие физико - химические реакции согласованы.

Много невыясненных проблем остается в теории эволюции на клеточном уровне. Еще недавно считалось, что в эволюции действует лишь один фактор - естественный отбор, но в действительности нельзя не учитывать и второй фактор - сложившийся тип структуры и развитие организма (организменный фактор). Эволюция имеет направленный и необратимый характер.


Эволюционное дерево

Современная биофизика подошла к подробному анализу биологической эволюции. В работах М.Эйгена предложена относительно простая модель естественного "отбора" на химическом уровне, модель самоорганизации информационных макромолекул. В открытую систему поступают и выходят из нее молекулы мономеров. Внутри системы происходят реакции полимеризации цепей и их распад. Кроме того, цепи работают как матрицы, синтезируя свои копии. Если определенные сорта цепей синтезируются быстрее, чем другие, то в системе постепенно происходит отбор именно этих макромолекул, а остальные распадутся. Говорят, что выжившие молекулы обладают "селективной ценностью". Случайные замещения мономеров (мутации) могут как уменьшать селективную ценность, так и увеличивать ее, определяя дальнейшую эволюцию. На молекулярном уровне эволюция проявляется в различии состава и последовательности аминокислотных остатков в гомологичных белках. На этой основе строятся эволюционные деревья.


§3. Экологические проблемы и сохранение жизни на Земле

В наиболее важной для человечества проблеме сохранения жизни основными факторами, препятствующими сохранению, являются: социально - экономические (1); геологические (2) и космические (3). Рассмотрим эти факторы в выделенном порядке.

1. Социально опасные тенденции в развитии некоторых стран, локальные конфликты, международный терроризм, перекосы в экономическом развитии некоторых государств, как следствие пока еще слабо контролируемой человечеством глобализации мировой экономики, силовые методы отстаивания национальных интересов и все возрастающая роль "человеческого фактора" в возникновении экологических катастроф - вот неполный перечень причин, ведущих в тупик развитие мировой цивилизации.

2. Недостаточные знания для прогнозирования состояния земной атмосферы, земной поверхности и глубинных земных процессов, а также появление в ноосфере "геологической силы" (по В.И.Вернадскому) составляют основную озабоченность людей на ближайшую перспективу.

3. Следы космических катастроф, которые приходится ретроспективно наблюдать в пределах Солнечной системы, к настоящему времени усилили тревогу по поводу последствий катастроф, вызванных столкновением Земли с относительно большими небесными телами - астероидами и кометами.

Вначале приведем несколько исторических сведений. Научные данные свидетельствуют о том, что за последние 570 млн. лет в ходе космической бомбардировки Земли выделилось Дж энергии, расплавлено кг и перемещено кг вещества при общей массе выбросов кг, что составляет одну 200-милионную часть энергии, полученной от Солнца за это же время. Однако, из-за быстроты протекания процесса мощность даже небольшого удара, приводящего к кратерообразованию, неизмеримо выше любого геологического катаклизма. Такая "катастрофичность" способна привести к изменению биоты, т.е. всего живого в данной области распространения.



На диаграмме представлена информация об объеме биоты, отложенной по вертикальной оси (выраженной в процентах от ее максимального уровня в истории Земли) в различные моменты времени, отложенного по горизонтальной оси (в миллионах лет).

Судя по диаграмме, за последние 250 млн. лет происходило девять массовых вымираний живых организмов. Одно из них, на рубеже мелового (К) и третичного (Т) периодов случилось 65 млн. лет назад (так называемое, К/Т - событие). При этом вымерло около 67% всех видов живых организмов. К этому времени относят и хорошо известное полное вымирание динозавров. Отложения пород, относящиеся к данному периоду, содержат повышенное содержание изотопов иридия, что, как хорошо известно, можно соотнести с падением метеорита типа хондритов, в которых содержание иридия в 785 раз выше, чем в земной коре.

Модельный расчет показывает, что если метеорит имеет диаметр около 10 км, то при столкновении должен образоваться кратер диаметром около 200 км.
Среди приблизительно пятисот известных астероидов, сближающихся с Землей, около ста являются потенциально опасными космическими объектами (ОКО). К числу последних следует отнести и кометы, размеры ядер которых могут составлять сотни километров, а траектория и эволюция при приближении к Солнцу непредсказуемы. Следует отметить специфичность опасности, идущей от ОКО. В то время как возникновение экологических катастроф, включая социальный и эпидемиологический факторы, находятся в поле зрения человеческого сообщества и с большой вероятностью могут быть предупреждены, космическая опасность пока еще слабо контролируема и не может быть предотвращена из-за отсутствия готовности к отражению этой угрозы. Как это ни парадоксально выглядит, только с развертыванием вооружений (в том числе и даже особенно ядерных) в космическом пространстве, против чего выступают многие политики и общественные организации, можно надеяться решить проблему ОКО.

Современный уровень развития некоторых крупных государств мира позволяет начать создание системы планетной защиты Земли от астероидной и кометной опасности. Человеческая жизнь, безусловно, бесценна, но она имеет стоимость, которая определяется реальными средствами, необходимыми для ее защиты. Таким же образом, стоимость жизни всех землян может быть определена затратами, идущими на содержание системы защиты Земли. Так как пока такой системы не создано, то и жизнь на Земле ничего не стоит.