Geum.ru

Концепции Современного Естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Лаплас Пьер Симон
Лобачевский Николай Иванович
Менделеев Дмитрий Иванович
Мендель Грегор Иоганн
Подобный материал:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   21

Лазеры и мазеры – квантовые генераторы когерентного и монохроматического электромагнитного излучения оптического и инфракрасного диапазонов. Названием этих приборов стала аббревиатура английского предложения – «усиление света (лазер) или микроволн (мазер) посредством индуцированного излучения». Рабочим телом, в котором возникают необходимые для этого квантовые энергетические состояния излучающих структур, могут быть специально приготовленные газовые и жидкие среды, кристаллы, полупроводники, стекла. Наиболее часто используются квантовые генераторы на основе рубина, неодимового стекла и кристаллов граната, а также полупроводниковые лазеры и газовые – гелий-неоновые, аргоновые и лазеры на основе углекислого газа (СО2). В основе действия лазеров и мазеров лежат принципы квантовой механики, в частности, принцип Паули. Под действием внешнего источника энергии электроны практически каждого атома рабочего тела переходят в возбужденное (метастабильное) состояние, запасая определенную энергию.

При достижении соответствующих условий все эти электроны переходят в основное состояние, излучая избыток энергии в виде квантов электромагнитного поля равной частоты и в одинаковой фазе, т.е. монохроматическое и когерентное. Лазеры и мазеры способны генерировать чрезвычайно остро сфокусированные пучки энергии светового, инфракрасного и микроволнового спектров огромной мощности, преобразуя внешнюю энергию накачки с КПД порядка 10-30%. Они находят самое широкое применение в науке, промышленности и медицине, используются для дальней связи и локации космических объектов. Так, с помощью мазера было получено на Земле телевизионное изображение поверхности Венеры, переданное с космической станции, доставленной на эту планету. Плотность энергии и мощность лазерного пучка может быть настолько велика, что позволяет изучать нелинейные оптические явления в средах, создавать температурные условия, достаточные для протекания термоядерных реакций, и уже существуют разработки, использующие этот принцип.

Большой интерес для астрофизиков представляют природные мазеры космического происхождения, «работающие» на основе гидроксильных радикалов (ОН) и молекул водяного пара, которые входят в состав газовых оболочек молодых звезд и пылевых облаков стареющих звезд-гигантов. Эти космические квантовые генераторы испускают излучение тогда, когда молекулы гидроксила и воды совершают стимулированный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий. При этом разность энергий между этими уровнями излучается в виде интенсивного когерентного электромагнитного сигнала с характеристической длиной волны – 18 см для гидроксила и 1,3 см для молекул воды. Учитывая допплеровское смещение частоты при движении источника излучения, можно определить скорость движения подобных объектов. Поведение излучения космического мазера дает также информацию о наличии, интенсивности и пространственном распределении магнитных полей в области этого объекта и тем самым позволяет проводить изучение влияния магнитных полей на процесс эволюции газо-пылевых облаков и образования протозвезд.

Рождение квантовой электроники (создание мазера) датируется 1955 годом и связано с именами отечественных ученых Н.Г. Басова (1922 - 2001), А.М. Прохорова (1916 - 2002) и американского физика Ч. Таунса (р. 1915), - (Нобелевская премия за 1964 год). Большой вклад в развитие полупроводниковых квантовых генераторов внес отечественный физик Ж.И. Алферов (р. 1930 г., Нобелевская премия за 2000 г.).Появление квантовых генераторов света - лазеров в 1960 году позволило реализовать принцип т.н. голографии, разработанный английским физиком венгерского происхождения Деннисом Габором (1900 – 1979) еще в 1948 году, - (Нобелевская премия за 1971 год). Голография представляет собой метод получения объемного изображения предметов, основанный на явлении интерференции света, путем восстановления структуры световой волны, отраженной от этих предметов. Голограмма отличается от слайда тем, что каждая её часть содержит всю информацию об изображаемом объекте, аналогично тому, как в ДНК любой клетки содержится информация обо всём организме. В описании картины мира на основе холистических взглядов, Вселенная представляется в образе динамической голограммы, каждый элемент которой содержит полную информацию о всех, как проявленных, так и скрытых, уровнях реальности (Д. Бом).

В конце 60-х – начале 70-х годов ХХ века немецкий физик Г. Хакен (р. 1927) и некоторые другие ученые дали интерпретацию процессов в лазерах как разновидность фазовых переходов, при которых неупорядоченная, хаотическая световая энергия лампы накачки претерпевает фазовый переход, приобретая новые свойства – когерентность и монохроматичность, т.е. упорядоченность. Исследуя с этой точки зрения процессы в квантовых генераторах различной природы, Хакен обнаружил явление когерентного коллективного поведения элементов рабочих сред лазеров и мазеров (атомов, молекул, электронов), возникающее как проявление самоорганизации в этих открытых неравновесных системах.

Дальнейшие исследования позволили ему сделать вывод об универсальном характере эффекта самоорганизации в открытых неравновесных средах, в результате чего элементы этих сред под действием внешних энергетических потоков вовлекаются в коллективные процессы, т.е. как бы кооперируются для совместной деятельности, в частности, синхронно испуская в квантовых генераторах высокоупорядоченное когерентное излучение. Так появился термин синергетика – наука о закономерностях коллективных процессов и самоорганизации, когда хаотические нестабильные образования порождают в открытых неравновесных системах упорядоченные структуры.


Лаплас Пьер Симон (1749 – 1827) – выдающийся французский математик, физик и астроном, внесший огромный вклад в развитие науки 18-19 веков. Родился в местечке Бомон-ан-Ож в Нижней Нормандии, окончил коллеж в Бомоне, принадлежащий бенедиктинскому аббатству, где проявил блестящие способности во всех изучаемых дисциплинах – как гуманитарных, так и естественнонаучных. Здесь же он самостоятельно изучил труды Ньютона, а также сочинения французских энциклопедистов – Даламбера, Дидро, Гельвеция и Гольбаха. В течение некоторого времени после окончания коллежа молодой Лаплас работал преподавателем математики в Бомонской военной школе, однако в поисках приложения своих выдающихся способностей вскоре оказался в Париже. Здесь он сумел добиться покровительства Даламбера, который высоко оценил талант молодого математика, который изложил в письме к знаменитому академику свои взгляды на основные принципы механики и перспективы её развития.

По протекции Даламбера Лаплас становится профессором математики в Королевской военной школе в Париже и получает доступ в Академию, куда регулярно представляет доклады о своих исследованиях в области математики и небесной механики. В 1772 году в Академии освободилось место (степень адъюнкт-геометра), и кандидатура Лапласа была поставлена на голосование, по результатам которого он, однако, в этот раз не прошел и только в следующем 1773 году при поддержке другого выдающегося математика – Лагранжа, Лаплас становится членом Парижской Академии наук в самой младшей должности адъюнкт-механика. С этого момента началось его стремительное восхождение к вершинам научной славы, - вскоре (в 1785 году) тридцатишестилетний Пьер Симон Лаплас становится полноправным членом Академии наук.

Научные труды Лапласа касаются самых разных областей математики, теоретической механики, молекулярной физики, электричества и магнетизма, теории вероятностей и астрономии. Широко известны его работы по теории дифференциальных уравнений в частных производных, где особая роль принадлежит т.н. оператору Лапласа – универсальному модельному методу, который применяется при решении задач теплопроводности, диффузии, электричества и тяготения. Важным вкладом Лапласа в акустику был вывод формулы для скорости распространения звука в воздухе, в метеорологию – установление закона изменения плотности воздуха с высотой, в электродинамике известен закон Био-Савара-Лапласа.

Но основной труд его жизни был связан с небесной механикой. Огромный объем исследований Лапласа в области математического моделирования строения и динамических процессов Солнечной системы, куда входили вопросы движения планет и комет, особенно Земли и Луны, расчет параметров орбит, учет возмущений различной природы, теория строения комет, теория приливов и отливов и многое другое, а также изучение проблемы устойчивости Солнечной системы, гипотеза о её происхождении (т.н. небулярная гипотеза Канта-Лапласа) и т.д., - был им изложен в пятитомном «Трактате о небесной механике», который составил целую эпоху в астрономии.

В связи с астрономическими теориями Лапласа существует история, согласно которой на вопрос Наполеона, которому автор преподнес свой труд «Изложение системы мира», - почему в этом сочинении ни разу не упоминается имя Создателя, - Лаплас ответил, что такая гипотеза ему не потребовалась. Это говорит не столько об атеизме ученого, сколько о его следовании научным установкам Ньютона – не путать физику с метафизикой, т.е. не вводить в теоретическое рассмотрение ненаблюдаемые сущности. Будучи в значительной мере последователем философии Декарта, Лаплас в своих научных изысканиях порицает голый эмпиризм и отдает предпочтение методам индукции и аналогии, которые, тем не менее, у него всегда основываются на некоторых твердо установленных эмпирических фактах. «Индукция и аналогия гипотез, основанных на фактах и постоянно проверяемых новыми наблюдениями, счастливое осязание, даваемое природой и укрепляемое многочисленными сравнениями этих указаний с опытом, - писал Лаплас, - таковы основные средства познания истины. Если бы человек ограничивался собиранием фактов, наука была бы лишь выхолощенной номенклатурой и никогда бы не познала великих законов природы. Сравнивая между собой факты, фиксируя их взаимоотношения и восходя таким путем ко всё более и более общим явлениям, мы достигаем, наконец, открытия этих законов, всегда проявляющихся самым разнообразным способом».

Таким образом, в методологии науки и в области философии познания Лаплас был ярким выразителем идей картезианско-ньютоновской парадигмы и, пользуясь своим методом аналогии и индукции, довел рационалистические концепции Декарта и механические представления Ньютона о мире до логического завершения, создав полностью детерминированную механическую модель Вселенной – грандиозную математическую утопию, известную в философии как «демон Лапласа». Эта сциентистская метафора Лапласа, претендующая на принципиальную возможность полного познания мира методами небесной механики и точного предсказания всех путей развития Вселенной на основе закона всемирного тяготения (в определенной мере также одобренная Кантом), стала почти на два века основой концепции механистического детерминизма – философской парадигмы эпохи Просвещения.

Убежденный материалист и детерминист Лаплас переносил механические аналогии в область познания живой материи и даже разумных её форм: «На границе видимой физиологии, писал он, - начинается другая физиология, явления которой гораздо более разнообразны, чем явления первой, и подчинены, подобно им, законам, знать которые весьма важно. Эта физиология, которую мы обозначаем именем психологии, и которая является, без сомнения, продолжением физиологии видимой. Нервы, волокна которых теряются в мозговом веществе, распространяют по нему впечатления, полученные ими от внешних предметов, и оставляют в нём постоянные впечатления, которые изменяют неизвестным нам образом сенсориум или местопребывание мысли». Эта механико-детерминистская и редукционистская концепция Лапласа (часто ещё называемая ньютоновско-лапласовской парадигмой), в рамках которой любые сложные процессы, происходящие в природе, могут быть сведены к элементарным механическим актам, только в середине ХХ века стала терять своих сторонников в научном сообществе под влиянием достижений психоанализа, нелинейной динамики и синергетики.


Лобачевский Николай Иванович (1792 – 1856) – выдающийся русский математик, создатель неевклидовой геометрии. Родился в Нижнем Новгороде, в 1811 году окончил Казанский университет, в котором затем проработал до 1847 года, – с 1812 года по 1816 работал преподавателем, с 1816 года стал профессором, с 1819 по 1833 гг. заведовал кафедрой экспериментальной и теоретической физики, а с 1827 года по 1846 занимал пост ректора Казанского университета. Будучи в первую очередь математиком, Лобачевский, тем не менее, глубоко понимал основные концепции физики и высказал ряд нетривиальных физических идей. Так, задолго до появления квантовой механики он высказывал мысли об объединении двух взаимоисключающих теорий света – корпускулярной (которой придерживались Ньютон и Лаплас) и волновой (которую развивали Гюйгенс, Френель и др.), что можно считать предвосхищением концепции корпускулярно-волнового дуализма. В его физическом мировидении такие фундаментальные понятия естествознания, как пространство, время и движение выступают не как раздельные и несводимые друг к другу категории, а как взаимосвязанные и взаимозависимые, что можно рассматривать как первый шаг к теории относительности.

Но мировую научную славу (к сожалению только посмертную) Н.И. Лобачевскому принесла созданная в 1826 году неевклидова криволинейная геометрия (вогнутый вариант), к которой он пришел скорее на основе гениальной интуиции, чем в результате строгого математического доказательства, удовлетворяющего всем канонам математики. Теоремы существования и непротиворечивости всех вариантов криволинейной геометрии были математически строго доказаны значительно позже. Мотивируя возможность перехода к своему (весьма неочевидному с точки зрения здравого смысла и повседневного опыта) варианту неевклидовой геометрии, Лобачевский писал: «Мы видели, что сумма углов прямолинейного треугольника не должна быть больше «пи». Остается предположить, что эта сумма равна или меньше «пи». То и другое может быть принято без всякого противоречия впоследствии, от чего и происходят две геометрии: одна, употребительная доныне по своей простоте, соглашается со всеми измерениями на самом деле; другая, воображаемая, более общая и потому затруднительная в своих вычислениях, допускает возможность зависимости линий от углов». Основные идеи неевклидовой геометрии Лобачевского, не понятые современниками (даже Уильям Гамильтон отрицал эту геометрию, ссылаясь на то, что она «противоречит разуму и приводит мысли в замешательство»), впоследствии получили самое широкое развитие и сыграли важнейшую роль в создании общей теории относительности – новой теории пространства, времени и тяготения, а также в разработке различных вариантов Теории великого объединения.


Менделеев Дмитрий Иванович (1834 – 1907) – выдающийся русский химик, открывший периодический закон изменения химических свойств элементов. Родился в Тобольске, высшее образование получил в Петербурге, закончив в 1855 году Главный педагогический институт. С 1857 по 1890 гг. Менделеев работал в Петербургском университете, где в 1865 году стал профессором. Величайшим научным достижением Менделеева, которое сохранило свое фундаментальное значенеи до наших дней, является открытие периодического закона свойств химических элементов. Предыстория этого открытия такова.

Уже примерно к середине 19 века были известны почти все химические элементы и детально исследованы их основные свойства. Химикам было известно, что некоторые элементы, например:

литий, калий, натрий, цезий (т.н. щелочные металлы);

кальций, магний, стронций, барий (т.н. щелочноземельные элементы);

углерод, кремний, олово, свинец;

кислород, сера, селен (т.н. халькогены);

азот, фосфор мышьяк, сурьма;

гелий, неон, аргон, криптон, ксенон (инертные газы);

хром, молибден, вольфрам;

фтор, хлор, бром, йод (т.н. галогены) и ряд других, проявляют определенные весьма сходные химические свойства, позволяющие объединить их в ту или иную группу.

Д.И. Менделеев выбрал в качестве упорядочивающего параметра атомный вес элементов и в 1869 году установил один из фундаментальных законов природы – периодический закон изменения химических свойств и на его основе создал периодическую систему элементов, получившую название таблицы Менделеева. Используя эту зависимость, статистически достоверно обоснованную для многих хорошо изученных химических элементов, Менделеев также предсказал свойства ещё четырех неизвестных элементов, среди которых были галлий и германий (оставил им место в своей таблице), а также исправил значения атомных масс некоторых известных элементов (в частности, урана и тория). Независимо от Д.И. Менделеева примерно в это же время свой вариант периодической таблицы элементов создал немецкий химик Лотар Мейер.

В 1860 году Менделеев открыл существование т.н. критической температуры, характеризующей состояние фазовых переходов, в 1874 году, обобщив уравнение Клапейрона, вывел общее уравнение состояния идеального газа. Большой вклад внес Менделеев в метрологию, будучи с 1892 года ученым-хранителем Депо образцовых гирь и весов, которое по его инициативе в 1893 году было реорганизовано в Главную палату мер и весов (ныне ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева). Большое значение придавал Менделеев оптимальному использованию невосполнимых природных запасов углеводородов, считая, что нефть скорее следует использовать не как дешевое топливо, а как сырье для искусственного синтеза многих важных органических соединений, не существующих в природе.

Периодический закон химических элементов получил теоретическое объяснение на основе квантовомеханической теории строения атома Резерфорда-Бора с учетом принципа запрета Паули.


Мендель Грегор Иоганн (1822 – 1884) – выдающийся чешский естествоиспытатель, ботаник, впервые открывший законы наследственности. Предметом исследований Менделя было изучение методом гибридизации закономерностей передачи наследственных свойств у растений. В качестве объекта исследований был взят горох, у которого существует 22 разновидности, причем эти наследственные сортовые признаки отчетливо выражены. Имеются сорта с белыми и пурпурными цветками, с высоким и низким стеблем (гиганты и карлики), с различными семенами – гладкими и морщинистыми, желтыми и зелеными, с различным расположением цветков и т.п. четкие различия, которые позволяют прослеживать появление тех или иных родительских признаков в последующих поколениях, получаемых при скрещивании. То, что выбор исследователя пал на горох, можно расценивать как его удачу, поскольку не для каждого вида растений (например, для ястребинок, где Мендель не смог получить аналогичных результатов) существует в потомстве такая четкая дифференциация родительских признаков, закономерности наследования и проявления которых стали предметом открытия монаха (а с 1868 года и настоятеля) монастыря братьев-августинцев г. Брюнне (теперь Брно, Чехия) Грегора Менделя, обнародованного в докладах на двух заседаниях Научного природоведческого общества Брюнне в феврале и марте 1865 года, а затем (в 1866 году) опубликованного в журнале этого общества.

Методика опытов Менделя заключалась в следующем. Сначала выделяются чистые линии, которые различаются по какому-либо контрастному признаку, затем проводится скрещивание двух пар таких линий гороха: А) с желтыми и зелеными семенами, Б) с гладкими и морщинистыми семенами, В) гигантов с карликами, Г) белые цветки с пурпурными и т.д., после чего подсчитывается соотношение данных признаков в потомстве. Затем выращенное потомство путем самоопыления проверяется на чистоту линии по данному признаку и также определяется соотношение чистых и нечистых экземпляров, причем при необходимости (если нет полной ясности) проверка на чистоту линии может быть продолжена самоопылением последующих потомков.

Математически обрабатывая результаты опытов, Мендель статистически достоверно обнаружил, что в первом поколении один из признаков полностью исчезает (остаются, например, такие признаки, как желтые семена, гладкие семена, гигантские стебли). После самоопыления полученного потомства оказалось, что исчезнувшие ранее признаки, появились снова (расщепление признаков), но в пропорции 1 к 3 по отношению к устойчивым. Устойчивый признак Мендель назвал доминантным, неустойчивый – рецессивным. Он также в дальнейших опытах по самоопылению установил, что гибриды второго поколения с рецессивными признаками при дальнейшем размножении не расщепляются ни в каком поколении, из всех оставшихся растений (с доминантными признаками) также точно ведет себя примерно треть, а две трети при переходе к следующему поколению демонстрируют расщепление признаков также в пропорции 1 к 3. Получившиеся при этом растения третьего поколения с рецессивными признаками и треть растений с доминантными в дальнейшем не расщепляются, а треть растений с доминантными признаками при переходе к четвертому поколению снова дают расщепление в пропорции 1 к 3. Таким образом, выяснилось, что наследственные признаки не разбавляются в потомстве до полного исчезновения (как думал оппонент эволюционного учения Дарвина английский инженер Ф. Дженкин), а происходит как бы подавление одного признака другим, - но тем не менее, все они, находясь в определенном соотношении, сохраняются в потомстве длительное время.

Современная интерпретация открытия Менделя такова: каждое растение гороха содержит два альтернативных варианта (аллели) какого-либо признака, кодируемого соответствующим геном – доминантным аллелем (Д) и рецессивным (Р). Тогда генетическая конституция или генотип растения в комбинации может дать три варианта ДД, РР – чистые линии, или гомозиготные, и ДР – смешанная линия, или гетерозиготная, причем поскольку доминантный аллель подавляет рецессивный, то фенотипы (комплексы признаков растения) распределятся неравномерно – их больше с аллелями ДР и ДД (с рецессивным скрытым Р) и, соответственно, меньше с выраженным набором РР. При половом размножении (слияние гамет, т.е. спермиев и яйцеклеток – процесс мейоза) комбинация генетического материала происходит случайным образом, тогда, если вероятности появления аллелей одинаковы (по ½), то общая частота комбинаций аллелей ДД, ДР и РД составит 3*1/4=3/4, и тогда на долю РР остается 1/4, что и соответствует открытому Менделем соотношению признаков 3 к 1.

Этот закон наследования потомками признаков (т.е. генетической информации) родителей универсален для всех эукариотных организмов и не проявляется у прокариотов и при митозе (деление соматических клеток). Всё потомство одной клетки при митозе называется клоном, следовательно, все особи, выращенные посредством клонирования, являются (по крайней мере, теоретически) генетическими подобиями, т.е. копиями, носителями всех признаков родителя.