Geum.ru

Концепции Современного Естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Эйнштейн Альберт
Ядерный реактор
Подобный материал:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   21

В процессе биологической эволюции обычно выделяют четыре основных стадии самоорганизации материи от неживых вполне элементарных молекулярных форм до появления многочисленных видов живых организмов: 1) образование первичного бульона, 2) образование белково-нуклеотидных комплексов, способных к авторепродукции, 3) образование единого кода в результате отбора, т.е. возникновение биологической информации, 4) образование различных видов организмов на основе единого генетического кода. Некоторые детали этого процесса получили экспериментальное подтверждение, однако большинство стадий, в результате которых возможно возникновение структур, соответствующих понятию информационного кода, задающего дальнейший процесс синтеза сложных асимметричных структур, способных к самоусложнению и накоплению предыдущей информации, рассматриваются пока только как вероятные гипотезы, не нарушающие известные фундаментальные законы природы.




Экология (от греч. ойкос, латинизированное экос – дом, жилище, обиталище) -- наука об отношениях, взаимодействиях и системных связях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой обитания. Объектом экологии могут быть популяции особей, виды организмов, отдельные экосистемы и биосфера как целое. Термин экология предложил еще в 1866 году известный немецкий естествоиспытатель Эрнст Геккель для обозначения общей науки об отношениях живых организмов с окружающей средой. Но как целостная, системная наука, имеющая свои объекты, методы исследования, концептуальный аппарат, экология сложилась к 40-м годам 20-го века. В рамках современной экологии существует несколько основных направлений, имеющих свои фундаментальные основания и исследовательские приоритеты. Есть направление, рассматривающее экологию как биологию экосистем, существует подход, делающий упор на изучение структурных особенностей экосистем, - т.н. биогеоценология, где центральным понятием является биогеоценоз, т.е. конкретная совокупность взаимосвязанных организмов и абиотических компонентов, сосуществующих на определенной территории.

Развивается и функциональный подход, главным предметом исследований которого являются процессы трансформации вещества и энергии в экосистемах. Не менее важным считается направление, рассматривающее экологию как науку о процессах и взаимодействиях, определяющих распространение и обилие живых организмов, - т.е. популяционная экология. Таким образом, экология представляет собой систему знаний, получаемых при помощи различных подходов и методов естествознания. Она описывает сложные и многообразные экологические явления с разных сторон и, как истинно системная наука, создает целостную картину живой природы на основе общенаучного принципа дополнительности.



Эйнштейн Альберт (1879 – 1955) – выдающийся физик-теоретик, создатель теории относительности и квантовой теории света, один из величайших представителей мировой науки, заложивший основы неклассической физики ХХ века. Альберт Эйнштейн родился в г. Ульме (Германия), в 1893 году семья Эйнштейнов переехала в Швейцарию, где в 1900 году Альберт окончил Цюрихский политехникум. С 1902 по 1908 гг. Эйнштейну пришлось работать служащим в патентном бюро в Берне, но в 1909 году он становится профессором Цюрихского политехникума, где работает до 1911 года. В течение 1914-1933 гг. Эйнштейн состоит профессором Берлинского университета и одновременно занимает должность директора Института физики им. Кайзера Вильгельма, но после прихода к власти фашистов вынужден эмигрировать в США, где с 1933 года и до конца своей жизни он проработал в Принстоне в институте перспективных исследований.

В 1905 году Эйнштейн, тогда еще сотрудник бернского патентного бюро, опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», в которой изложил основы специальной теории относительности (СТО), описывающей законы движения объектов с релятивистскими скоростями. Эта теория базируется на двух постулатах, один из которых является обобщением механического принципа относительности Галилея и состоит в том, что в любых инерциальных системах отсчета все без исключения физические процессы протекают одинаково, а другой постулат обобщает опыты Майкельсона-Морли, установившие независимость скорости света в вакууме от направления движения источника. Этот постулат утверждает абсолютный характер скорости света как предельной величины при движении материальных объектов и отвергает представления Ньютона об абсолютном характере пространства и времени и независимости их от материи. Это не значит, что СТО полностью отвергает ньютоновскую модель, - просто она ограничивает область применимости классической теории движения дорелятивистскими скоростями, т.е. фальсифицирует классическую механику, подтверждая тем самым, согласно К. Попперу, её научный характер.

В том же 1905 году Эйнштейн получил свое знаменитое соотношение между массой и энергией, которое лежит в основе расчетов энергетического баланса ядерных и термоядерных реакций, объясняет природу т.н. дефекта массы, служит мерой взаимодействия частиц и античастиц. Используя квантовую гипотезу Планка, в этом же году Эйнштейн развил корпускулярную теорию света, объяснил фотоэффект, явление фотоионизации и ввел понятие кванта электромагнитного излучения – фотона, а также фундаментальную для процессов микромира категорию корпускулярно-волнового дуализма (Нобелевская премия за 1922 год). Развивая далее квантовые представления, Эйнштейн разработал теорию теплоемкости твердого тела (1907 год) и теорию фотохимических процессов (1912 год), установив очень важный (в частности, для теории фотосинтеза) закон – каждый поглощенный фотон вызывает одну элементарную фотохимическую реакцию. В области статистической физики Эйнштейн известен своей теорией броуновского движения, разработка которой также пришлась на 1905 год. В 1917 году он теоретически обосновал и предсказал явление индуцированного излучения, лежащее в основе работы квантовых генераторов, однако этот результат, полученный за 40 лет до открытия лазера и мазера, не был в то время адекватно понят и по достоинству оценен.

В 1916 году Эйнштейн создал релятивистскую теорию гравитации – получившую название общей теории относительности (ОТО), в которой он обобщил СТО на неинерциальные системы. В основе этого подхода к проблеме тяготения лежит принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс физических тел и принцип относительности, а феномен сил тяготения трактуется как «искривление пространства», возникающее в результате влияния масс вещества. Уравнения ОТО описывают изменение геометрических свойств пространства-времени (пространственно-временную метрику) в зависимости от взаимного расположения тяготеющих масс, что не только эквивалентно ньютоновской интерпретации, в которой массивные тела создают ту или иную конфигурацию силовых полей тяготения, описываемых законом всемирного тяготения, но и выявляют более тонкие эффекты, не учитываемые в ньютоновской модели. Таковыми являются: а) искривление светового луча в поле тяготения, б) смещение перигелия орбиты планеты Меркурий под воздействием гравитации Солнца и в) т.н. гравитационное красное смещение. Все три эффекта в настоящее время проверены экспериментально и количественно с достаточной точностью соответствуют предсказаниям ОТО.

Из уравнений ОТО, отображающих фундаментальные свойства Вселенной, вытекают три решения – стационарное, которое получил сам Эйнштейн и которое не находило должного обоснования, и два нестационарных, которые в 1922 году нашел русский ученый А.А. Фридман (1888 – 1925), доказавший тем самым возможность нестационарного характера Вселенной. Именно эти два решения лежат в основе теории эволюции Вселенной (модель Большого взрыва), и одно из них, описывающее расширение космического пространства (разбегание галактик), получило экспериментальное подтверждение и оформлено в т.н. законе Хаббла. Общая теория относительности обусловила бурное развитие космологии как самостоятельной научной дисциплины и, несмотря на целый ряд появившихся к концу ХХ века альтернативных теорий гравитации, подвергающих её критике, по-прежнему лежит в основе современной космологической парадигмы.

Начиная с 1933 года и до конца жизни, Эйнштейн в основном занимается вопросами космологии, ставит ряд важных философских и эпистемологических проблем в области квантовой теории процессов микромира (дискуссия с представителями Копенгагенской школы Н. Бора) и пытается создать единую теорию поля, однако все его попытки объединить в одной модели фундаментальные взаимодействия к успеху не привели.

После Ньютона, который заложил основы современного естествознания и начал классический этап развития науки, впоследствии названный его именем, Эйнштейн выступает равновеликой фигурой, завершившей своей специальной теорией относительности и квантовой теорией света эру дорелятивистской классической науки и открывшей, наряду с другими основателями квантовой механики, новый неклассический период развития естествознания. В честь Альберта Эйнштейна назван 99-й искусственный трансурановый химический элемент – «эйнштейний».

В вопросах методологии познания Эйнштейн занимал двойственную позицию. С одной стороны он, подобно философам - Канту, Джеймсу, Маху и др., а также физикам и математикам - Пуанкаре, Планку, Больцману, Вигнеру и др., считал, что между реальностью природных явлений и понятиями научных теорий соответствие весьма условно, и они необходимы для упорядочения результатов эмпирической деятельности, - «физические понятия – суть свободные творения человеческого разума, а не определены однозначно внешним миром, как это иногда может показаться». Сравнивая естествоиспытателя, рисующего картину мира, с человеком, желающим понять принцип устройства закрытых часов, Эйнштейн в книге «Эволюция физики», написанной в соавторстве с известным польским физиком Леопольдом Инфельдом (1898 - 1968), указывал на то, что ученый «никогда не может быть уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом и даже не сможет представить себе возможность и смысл такого сравнения». С другой стороны, Эйнштейн всё же верил в огромные возможности научного познания мира, и особенно, в мощь методов математического моделирования.

В книге «Мир, каким я вижу его» он утверждал, что: «Весь предшествующий опыт убеждает нас в том, что природа представляет собой реализацию простейших математически мыслимых элементов. Я убежден, что посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы. Конечно, опыт остается единственным критерием пригодности математических конструкций физики, но настоящее творческое начало присуще именно математике». Создатель теории относительности верил в то, что наука со временем сможет перейти от вопросов "как?" к вопросам "почему?". «Мы хотим, - писал он, - не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и, по возможности, достичь цели, может быть утопической и дерзкой на вид, – узнать, почему природа является именно такой, а не другой».


Электрон – стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, равным условной единице или в системе СИ: 1,6*10-19 Кулона, с массой 1 э.м., или в системе СИ: 9,11*10-31 кг, имеющая спин ½. (фермион) и относящаяся к классу лептонов. Его античастица позитрон обладает теми же свойствами, за исключением положительного заряда. Электрон – один из основных структурных элементов вещества, - конфигурация электронных оболочек атомов определяет оптические, электрические, магнитные и химические и биохимические свойства атомов и молекул. По образному выражению выдающегося английского логика и философа Бертрана Рассела, в конфигурациях электронных оболочек заложен алгоритм развития всей природы. Такие свойства физических тел, как электропроводность, полупроводимость, сверхпроводимость, теплопроводность и т.д. связаны со свойствами электронов и их поведением в веществах различной природы.

Электрон как некоторый «атом электричества» был предсказан еще в 80-х годах 19 века Г. Гельмгольцем и Дж. Стоуни (последний ввел термин «электрон» и рассчитал величину его заряда, - 1874 г.) на основе закономерностей протекания процесса электролиза, но как частица экспериментально был открыт в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном. На примере электрона отчетливо проявляются эффекты корпускулярно-волнового дуализма, что позволило создать электронный микроскоп – мощнейший инструмент, незаменимый в исследовании внутриклеточных структур, поверхностей сплавов, кристаллов и т.п. мельчайших объектов. Будучи ускоренным до субсветовых скоростей, электрон стал «зондом» для непосредственного исследования сложной внутренней структуры протонов и нейтронов, что привело к экспериментальному доказательству существования «самых элементарных» частиц – кварков (см.).


«Ядерная зима» - разработанный методами компьютерного математического моделирования сценарий экологической катастрофы, которая может произойти в результате крупномасштабной атомной войны, когда из-за многочисленных пожаров и задымления атмосферы может установиться т.н. «ядерная ночь», поскольку солнечные лучи не смогут проникнуть к поверхности земли и доставить необходимое количество света и тепла. Как следствие этого произойдет глобальное похолодание – «ядерная зима», причем, согласно расчетам, такое, что положительные значения температуры сохранятся только на некоторых островах Тихого океана. Согласно данной модели, также следует, что бифуркация такого рода необратимо выводит земную биосферу на другие траектории эволюции, и возврат в исходное состояние невозможен даже через длительное время.

Гипотеза «ядерной зимы» впервые была высказана в 1983 году американским астрономом К. Саганом, и вскоре после этого возможность такого исхода получила подтверждение в модельных экспериментах методами компьютерной имитации, проведенных различными группами экологов и математиков, в частности, группой известного отечественного математика Н.Н. Моисеева. На основании анализа устойчивости биосферы как самоорганизующейся системы, реагирующей на действие техногенных факторов, он выдвинул т.н. принцип экологического императива т.е. утверждения, что существует некоторое определенное множество свойств и параметров биосферы Земли (системных параметров порядка), значительное изменение которых в результате человеческой деятельности совершенно недопустимо, поскольку несовместимо с биологическими особенностями человека как вида. Биосферу планеты никаким искусственным вмешательством полностью уничтожить нельзя, но можно при неблагоприятном исходе изменить её так, что в сложившемся новом варианте (стационарном состоянии) не останется экологической ниши для современного человека.


Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов. При делении ядер (см.) образуются новые ядра, более легкие, преимущественно радиоактивные, испускаются нейтроны, гамма-фотоны и бета-частицы, а также выделяется большое количество энергии в виде кинетической энергии осколков деления. Природными делящимися элементами являются уран и торий (изотопы уран-235, уран-238 и торий-232), из которых в процессе ядерных реакций образуются искусственные радиоактивные изотопы, такие как уран-233 и плутоний-239; 240; 241, которые используются также и в военных целях (т.н. оружейный плутоний).

Всё делящееся вещество помещается в т.н. активной зоне в разнообразном виде и конфигурации, в зависимости от типа реактора, где происходит выделение тепловой энергии ядерной реакции. Скорость протекания реакции может регулироваться. Первичное тепло переносится теплоносителем первичного замкнутого контура в парогенератор, в котором рабочее тело вторичного контура (вода) получает необходимую тепловую энергию для производства пара под высоким давлением, приводящего в движение турбины электрогенераторов. Такая двухступенчатая система необходима для предотвращения попадания высокорадиоактивных продуктов реакции (осколков деления) во внешнюю среду.

Ядерный реактор – это колоссальное сооружение; например, в активной зоне реактора одного энергетического блока Чернобыльской АЭС использовалось в виде тепловыделяющих элементов (твэлов) 198 тонн уранового топлива (уран-238), обогащенного на 2,5% изотопом уран-235. Крупные аварии ядерных реакторов представляют серьезную экологическую опасность, поскольку в процессе выгорания ядерного топлива в активной зоне накапливается огромное количество (около двухсот) радиоактивных осколков деления (изотопов различных химических элементов), среди которых долгоживущие стронций-90 (период полураспада 28 лет) и цезий-137 (период полураспада 32 года) легко включаются в биологический цикл, будучи химическими аналогами жизненно важных элементов – стронций аналог кальция (двухвалентные) и цезий аналог калия и натрия (одновалентные). (См. доза радиации).

Особенно опасен стронций-90, т.к. надолго поглощается костной тканью и, кроме того, дает в процессе бета-распада радиоактивный дочерний продукт – иттрий-90, тем самым создавая большую длительную дозу внутреннего облучения. Не менее значительные экологические проблемы возникают и в процессе утилизации и захоронения отработанного ядерного топлива, что делает атомную энергетику мишенью для критики экологических организаций. Тем не менее, в перспективе возможного энергетического голода, который будет возрастать по мере истощения запасов ископаемого органического топлива, технически реальной, полностью экологически приемлемой и экономически рентабельной альтернативы атомной энергетике пока нет.

Первый ядерный реактор был запущен в декабре 1942 года в США под руководством выдающегося итальянского физика Э. Ферми. С тех пор во всем мире действуют сотни исследовательских и энергетических реакторов, а доля АЭС в суммарном производстве электроэнергии в некоторых развитых странах Запада достигает от 20 до 70%. Несмотря на негативное изменение общественного мнения по отношению к атомной энергетике, произошедшее под влиянием чернобыльской аварии, в ряде развивающихся стран приняты программы, предусматривающие строительство новых крупных АЭС.