Концепции Современного Естествознания

Вид материала

Документы

Содержание 31. Солнечная система Планеты земной группы 32. Структурные уровни организации материи По законам квантовой механики По детерминистским законам классической ньютоновской динамики Согласно принципам общей теории относительности 33. Теория относительности 34. Трофические цепи Первичные продуценты 35. Универсальный эволюционизм – 36. Уравнение Шредингера

Подобный материал:

• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
• Программа дисциплины «концепции современного естествознания» «050706 Педагогика и психология», 169.4kb.

31. Солнечная система – компактная космическая система, состоящая из девяти больших планет и их спутников, обращающихся по эллиптическим орбитам вокруг центральной звезды – Солнца, а также множества малых планет-астероидов, комет, метеоритов и межпланетной пыли.

Солнце – типичная звезда нашей Галактики (желтый карлик), имеющая средний диаметр 1,4*10⁷ км, массу 1,99*10³⁰ кг, среднюю плотность вещества 1,41 г/см³, температуру поверхности 5780^о К и средний период вращения вокруг оси 25,38 земных суток, причем Солнце, как плазменное образование, не является твердым телом и поэтому заметно деформировано – растянуто по экватору и сжато на полюсах. В Солнце сосредоточено 99,866% всей массы Солнечной системы. Процессы, протекающие на Солнце характеризуются 11-летним циклом активности. Среднее количество лучистой энергии, поступающей за 1 минуту на поверхность 1 см² на расстоянии в 1 астрономическую единицу (т.е. расстояние до Земли) называется солнечной постоянной и равно 1,95 калории на см² в мин.

Планеты Солнечной системы делятся на два класса – планеты земной группы, обладающие сходным химическим составом, и планеты-гиганты, в основном состоящие из застывших газов.


А) Планеты земной группы:

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета (57,1 млн. км) имеет средний диаметр 4865 км, массу 3,3*10²³ кг, период обращения вокруг Солнца 88 суток, со средней скоростью 48 км/сек, период вращения вокруг оси 59 суток. Средняя плотность 5,4 г/см³ , атмосфера практически отсутствует.

Венера – вторая планета (108 млн. км), имеет диаметр 12 100 км, массу 4,9*10²⁴ кг, период обращения 224,7 суток со средней скоростью 35 км/сек, период собственного вращения 243,2 суток. Венера обладает мощной атмосферой, состоящей на 96,5% из углекислого газа, на 3,5% из азота и практически лишенной кислорода, средняя величина атмосферного давления примерно в 70 раз больше земного, температура поверхности вследствие парникового эффекта достигает 450^о Цельсия.

Земля – третья планета Солнечной системы (149,5 млн. км – 1 астрономическая единица - а.е.). Период обращения вокруг Солнца равен 365,24 суток со средней скоростью 30 км/сек, период вращения вокруг собственной оси равен 23 часа 56 минут 4,1 сек. Масса Земли составляет 5,976*10²⁴ кг, средний диаметр земного шара, а точнее т.н. геоида равен 12 742,064 км, средняя плотность земного вещества равна 5,52 г/см³. Атмосфера состоит из азота – 78,1%, кислорода – 21%, углекислого газа – 0,034%, аргона – 0,9%, водяного пара – 0,1% и незначительного количества некоторых инертных газов, а также ряда органических и неорганических соединений. Основные элементы земной коры: кислород – 46,6%, кремний – 27,7%, алюминий – 8,13%, железо – 5%, кальций – 3,63%, натрий – 2,83%, калий – 2,6%, магний – 2,1%, титан – 0,6%.

Земля по количеству воды, находящейся в жидком состоянии, является уникальной планетой Солнечной системы. Мировой океан занимает более 71% её поверхности. Если выровнять поверхность земного шара, убрать горы и впадины океанов, то слой образовавшейся водной поверхности достигал бы 2,4 км. Кроме Мирового океана водные ресурсы Земли представлены реками, озерами и ледниками Гренландии и Антарктиды – всё это относится к поверхностной гидросфере, где на долю океана приходится 97,48%, на ледники – 2,5%, а ничтожная остальная часть приходится на реки, озера и атмосферную влагу. Сама же поверхностная гидросфера составляет примерно 58% всей земной гидросферы, остальная часть воды составляет подземную гидросферу, куда входят как свободные подземные воды, так и вода, которая физически и химически связана в минералах и горных породах. В литосфере (земной коре) и на её поверхности содержится около 2,5 миллиардов кубических километров воды, что составляет примерно 0,04% всей массы Земли. Из этого количества всего около 420 млн. куб. км. приходится на воду, связанную в породах и минералах.

Луна – спутник Земли, находящийся на расстоянии 384 400 км, имеющий массу 7,35*10²² кг, средний диаметр 3476 км, среднюю плотность вещества 3,35 г/см³. Луна полностью лишена атмосферы, её поверхность покрыта многочисленными кратерами от ударов метеоритов, температурные перепады на поверхности варьируют от +130^о на дневной стороне до –170^о Цельсия на ночной. Исследования лунного грунта показали полное отсутствие на Луне живого вещества.

Марс – последняя планета земной группы, четвертая от Солнца (примерно 225 млн. км или 1,5 а.е.). Масса 6,4*10²³ кг, средний диаметр 6776 км. Период обращения по орбите - 1,88 лет со средней скоростью 24,1 км/сек, период собственного вращения - 24 ч. 39 мин. 35 сек. Марс обладает весьма разреженной атмосферой, состоящей на 95% из углекислого газа и на 2,5% из азота. На Марсе присутствует вода в виде вечномерзлых пород, находящихся под покровом песка, хорошо различимы в телескоп полярные шапки. Существуют предположения, что на Марсе могут быть примитивные формы живого вещества. Марс имеет два небольших спутника – Фобос (27 км) и Деймос (15 км) неправильной формы.

Пояс астероидов – образование между Марсом и Юпитером, состоящее из большого количества астероидов, мелких обломков и космической пыли, на таком расстоянии от Солнца, на котором, согласно закону Кеплера, должна была бы находиться планета. В 1804 году немецкий астроном Г.В. Ольберс выдвинул гипотезу, что на этом месте была планета Фаэтон, которая впоследствии разрушилась под воздействием сил гравитации. В настоящее время эта гипотеза считается спорной. На движение астероидов оказывается значительное гравитационное воздействие со стороны Юпитера, поэтому орбиты тел в поясе астероидов со временем изменяются. По современным оценкам число всех астероидов с размерами более 1 км. с надежно определенными орбитами превосходит 3000, причем количество тех, орбиты которых пересекаются с орбитой Земли превышает 1300. Отсюда следует, что средняя частота падения на Землю больших астероидов равна примерно 1 раз в 100 000 лет.


Б) Планеты-гиганты:

Юпитер – пятая планета от Солнца (778,3 млн. км), совершающая полный оборот за 11, 9 земного года, движущаяся по орбите со средней скоростью 13,1 км/сек. Период собственного вращения (по измерениям облачного слоя) составляет 11 часов, причем Юпитер вращается не как твердое тело, а подобно Солнцу, и сильно сжат на полюсах. Экваториальный диаметр Юпитера примерно 141 700 км, состав почти полностью определяется водородом – 74% и гелием – 26%, масса около 1,9*10²⁷ кг, а средняя плотность 1,33 г/см³, что практически не отличается от солнечной. Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше энергии, чем Земля, но при этом сам излучает энергии примерно в 2,7 раза больше того, что получает. Возможно, что аномальное тепловыделение обусловлено медленным, но постоянным его гравитационным сжатием (по астрофизическим оценкам около 1 мм в год), но также может быть, что внутри планеты-гиганта идут термоядерные реакции, - и тогда это дает основания считать Юпитер очень холодной звездой, а нашу Солнечную систему – системой двойной звезды.

Юпитер имеет 14 спутников, из которых четыре самых больших были открыты Галилеем. Это огромные тела размеры и масса которых превышают лунные параметры. Так, в условных «лунных» единицах измерения диаметр и масса этих спутников соответственно равны: Ио – 1 и 1,14; Европа – 0,89 и 0,64; Ганимед – 1,44 и 2,09; Каллисто – 1,35 и 1,18. Обладая огромной массой (в 317 раз большей, чем масса Земли), Юпитер силой своего тяготения, подобно Солнцу, может изменять гиперболические орбиты комет, залетевших в область Солнечной системы из дальнего космоса, на вытянутые эллиптические, и тем самым, как показал ещё Лаплас, увеличивать состав Солнечной системы.

Сатурн – шестая планета, отстоящая от Солнца на 1420 млн. км, совершающая полный оборот за 29,4 года, со средней скоростью движения по орбите 9,6 км/сек. Период собственного вращения (облачный слой) равен около 10 часов. Экваториальный диаметр равен примерно 120 200 км, масса – 5,7*10²⁶ кг, а средняя плотность вещества всего 0,7 г на куб. см. У Сатурна 17 спутников, самый крупный из которых Титан, примерно в 1,5 раза больше Луны, а также хорошо различимое в телескопы (еще Гюйгенсом в 1659 году) кольцо, точнее семь концентрических плоских колец, разделенных темными промежутками. Эти кольца состоят из огромного количества метеоритов и мелких метеорных и ледяных частиц, их толщина по космическим меркам ничтожна – всего около трех километров, и будучи примерно через каждые 15 лет обращенными к Земле ребром, становятся невидимыми. Последнее «исчезновение» колец было отмечено в 1994 году.

Уран – седьмая планета Солнечной системы, удаленная на 2871 млн. км от Солнца, имеющая период обращения около 84 года и среднюю скорость движения по орбите 6,8 км/сек. Собственный период вращения равен около 11 часов, экваториальный диаметр примерно 50 700 км, масса около 8,7*10²⁵ кг, средняя плотность 1, 27 г/см³. Видимо, внутренние слои Урана состоят из более тяжелых элементов, чем Юпитер и Сатурн. В отличие от других планет Уран вращается в обратном направлении, лежа почти на боку, тогда как оси вращения других планет почти перпендикулярны плоскостям орбит. По последним данным (американский аппарат «Вояджер-2», 1986 год) вокруг Урана движется 15 спутников и имеется 11 колец. Самые крупные из них – Оберон и Титания были открыты У. Гершелем в 1787 году, они имеют диаметр примерно по 1500 км и движутся в обратном направлении относительно собственного вращения Урана.

Нептун – восьмая планета, находящаяся на расстоянии примерно 4500 млн. км от Солнца, совершающая полный оборот за примерно за 165 лет, со скоростью 5,43 км/сек. Собственный период вращения около 16 часов, диаметр 49500 км, масса примерно 1.05*10²⁶ кг, плотность больше, чем у других планет-гигантов – 2,7 г/см³, что свидетельствует о наличии внутри Нептуна ядра, видимо, сложенного из пород, содержащих кремний, а также тяжелые элементы, характерные для планет земной группы. Нептун имеет два спутника Тритон (диаметр примерно 4000 км, обратное направление движения) и Нереида (300 км, прямое). В истории науки Нептун известен как планета, открытая «на кончике пера» – её орбита и положение на небесной сфере были предсказаны путем математических расчетов, проделанных в 1846 году независимо друг от друга англичанином Дж. Адамсом и французом У.Ж.Ж. Леверье на основании законов Ньютона по наблюдаемым возмущениям движения Урана. Используя эти данные немецкий астроном И.Г. Галле обнаружил Нептун 23 сентября 1846 года. Этот день вошел в науку как момент торжества механики Ньютона и стал началом становления механической парадигмы мышления.

Плутон – последняя самая далекая планета (около 5950 млн. км от Солнца), делающая полный оборот по очень вытянутой орбите за 248 лет со средней скоростью 4,74 км/сек. Период собственного вращения составляет 6,4 земных суток, средний диаметр 6000 км, масса около 1,1*10²⁴ кг. У планеты Плутон есть соизмеримый по величине спутник Харон, поэтому эту систему можно считать двойной планетой. Плотность вещества Плутона превышает величины, характерные для планет-гигантов и приближается к параметрам, характерным для планет земной группы. Это позволяет делать предположения, что Плутон образовался в области Солнечной системы, соответствующей внутренним планетам, а потом в результате катастрофической гравитационной перестройки занял нынешнее положение, или даже считать, что он странник далеких миров и был некогда захвачен тяготением Солнечной системы.

За орбитой Плутона располагается очень интересная не так давно открытая область - т.н. пояс Купера, в котором сосредоточено огромное количество небольших объектов астероидного типа, что-то вроде «отходов», оставшихся от «производства» Солнечной системы. В эти отдаленные области в 2006 году была направлена американская космическая станция, которая сначала исследует спутники Юпитера, а затем, используя его тяготение, изменит траекторию и отправится в направлении Плутона и далее в пояс Купера. Вся программа этих космических исследований рассчитана на несколько лет.

Облако Оорта (кометное облако) – скопление орбит множества комет (порядка 100 млрд.) в области космического пространства, находящейся далеко за орбитой Плутона и поясом Купера, что ещё можно считать самой периферией Солнечной системы. Эти кометы время от времени срываются со своих орбит и могут войти во внутренние районы Солнечной системы. Это кометное образование получило свое название по имени голландского астронома Яна Хендрика Оорта, который в 1927 году доказал, что наша Галактика вращается.

С облаком Оорта связана весьма дискуссионная теория о том, что когда через него (примерно раз в 30 млн. лет) проходит гипотетический спутник Солнца – малая звезда Немезида (очень вытянутая орбита которой находится где-то между орбитой Плутона и ближайшей к нам звездой Альфой Центавра, и якобы составляющая с нашим светилом систему двойной звезды), то она увлекает за собой силой тяготения большое количество комет, которые меняют свои орбиты и входят во внутренние области Солнечной системы. Некоторые из них уже могли сталкиваться с Землей, что приводило к резким катастрофическим изменениям климата и соответствующим биосферным последствиям, некоторые столкновения ещё впереди и могут стать причиной уничтожения всего человечества (Немезида – богиня возмездия в древнегреческой мифологии). Сама по себе идея двойной звезды и катастрофических столкновений вполне научна, поскольку в Галактике это не такая уж редкость (есть астрономические наблюдения даже целых сталкивающихся галактик), однако в данном конкретном случае реальной научной информации по этому поводу очень мало, и эта проблема требует дальнейших исследований.


32. Структурные уровни организации материи – иерархическая система описания закономерностей поведения объектов материального мира, обусловленная невозможностью в рамках современной науки создать целостное представление о природе. Деление материального мира на: 1) микромир, 2) макромир, 3) мегамир соответствует принципиально отличающимся структурным формам организации и движения материи, описание которых методами современной науки также принципиально отличается и ведется по следующим принципам:

1). По законам квантовой механики с учетом дискретной природы и вероятностного характера происходящих процессов, где «властвует» принцип неопределенности, отсутствует понятие точных и однозначных траекторий движения частиц, действуют законы сохранения весьма специфических параметров, не имеющих наглядных аналогий. Скорость света в этом мире равна определенной величине, вполне соизмеримой со скоростью других процессов, а эффект замедления времени является обычным явлением;

2). По детерминистским законам классической ньютоновской динамики, когда процессы считаются непрерывными, поскольку постоянную Планка можно без потери точности приравнять к нулю, скорость света практически равна бесконечности, пространство евклидово, абсолютно и трехмерно, а время линейно и также абсолютно;

3). Согласно принципам общей теории относительности, в которой пространство и время связаны в один неразделимый континуум, материальные массы космических тел искривляют геометрию пространства-времени, а скорость света становится фундаментальной мерой наблюдаемости или ненаблюдаемости объектов, порождая понятие горизонта событий и ставя предел возможности получения информации об объектах и познанию Вселенной научными методами. (См. также: Атом, Вселенная, Элементарные частицы).


33. Теория относительности – физическая теория пространства и времени и их взаимосвязи с материей и законами её движения. Та часть теории относительности, в которой не рассматриваются эффекты, обусловленные гравитацией, называется специальной, или частной, теорией относительности (СТО), в то время, как т.н. общая теория относительности (ОТО) представляет собой современную теорию тяготения, в которой ньютоновское понятие гравитационной силы, свойственной массам всех материальных тел и описываемой законом всемирного тяготения, трактуется как проявление геометрической кривизны пространства, искривленного в данной области находящимися там массами.

1). СТО выдвинута А. Эйнштейном в 1905 году с целью преодолеть трудности, возникшие в классической физике при попытках интерпретации оптических явлений в движущихся средах или при движении источника света. Основным парадоксом в рамках классической физики была независимость (неаддитивность) скорости света с от скорости источника v, т.е. с=c, экспериментально доказанная в 1887 году американскими физиками Майкельсоном и Морли. Это нарушает преобразования Галилея (в частности, аддитивность скоростей движущихся друг относительно друга материальных тел), а также свидетельствует о невозможности обнаружения светоносной среды – эфира эмпирическим методом. Последнее обстоятельство позволило Эйнштейну отказаться от концепции эфира как принципиально ненаблюдаемой сущности, а значит не являющейся объектом естественных наук.

В основу СТО Эйнштейн положил два постулата: все инерциальные системы отсчета равноправны и скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости источника. Причем эта величина является пределом для скоростей любых материальных процессов, по крайней мере, в наблюдаемой области реальности. Математическую основу СТО составляют, альтернативные галилеевским, преобразования координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую - т.н. преобразования Лоренца, полученные выдающимся голландским физиком Х.А. Лоренцом, из которых следуют эффекты замедления времени: t=t₀/ (1-b²)^1/2 и сокращения длины: s=s₀(1-b²)^1/2, где b=v/c. К этому Эйнштейн дополнительно вывел формулы увеличения массы движущегося тела по сравнению с массой покоя: m=m₀/(1-b²)^1/2 и связи энергии с массой покоя материальных тел: E=mc². Эти соотношения показывают, что в движущейся системе отсчета, время течет медленнее, линейные размеры тел в направлении движения меньше, а масса тел больше по отношению к тем же величинам в покоящейся системе.

Поскольку в макромире c>>v, то b<<1, и эффекты, связанные с СТО (т.н. релятивистские эффекты) практически никогда не проявляются, поэтому для описания процесса движения вполне достаточно классической ньютоновской механики. Объекты микромира часто движутся с субсветовыми скоростями, поэтому эффекты СТО там сильно выражены. Все они в настоящее время подтверждены экспериментально (например, на ускорителях), а СТО стала одной из общепринятых теорий современной неклассической физики.

2). ОТО разработана Эйнштейном в 1915 - 1917 годах под влиянием выдающегося немецкого физика и математика Германа Минковского, который в 1908 году выдвинул идею об объединении трех измерений пространства и времени в один четырехмерный пространственно-временной континуум, в котором справедлив один из вариантов неевклидовой геометрии (псевдоевклидова геометрия) – т.н. пространство Минковского. Таким образом Минковский ввел представление о четырехмерном мире, элементы которого (события) имеют физическую реальность независимо от какой бы то ни было системы отсчета. Эйнштейн добавил к этому постулат о тождественности гравитационной и инертной масс, откуда следует, что гравитация и ускорение эквивалентны, а также выдвинул идею о том, что геометрия пространства-времени учитывает распределение материи, а то, что в ньютоновской картине мира понимается как сила гравитации, в новых представлениях соответствует искривлению пространства-времени тяготеющими массами.

Для описания конфигурации искривленного пространства-времени (пространственно-временной метрики) Эйнштейн воспользовался римановой криволинейной геометрией, - неэвклидовой геометрией пространства с переменной кривизной и математическим аппаратом тензорного анализа. Записанные в тензорных обозначениях законы сохранения инвариантны относительно любых реально существующих систем отсчета. Понятие прямых линий, по которым в классической механике движется луч света, заменено в ОТО на понятие наиболее прямых траекторий (т.е. геодезических линий в данном кривом пространстве), форма которых определяется структурой искривленного пространства-времени. Например, все тела, свободно падающие в поле тяготения Земли или любого другого объекта, движутся по геодезическим траекториям пространства-времени.

На основании ОТО Эйнштейн предсказал три астрономических эффекта, в частности, искривление траектории светового луча, проходящего вблизи массивных тел, например, звезд. Этот эффект получил экспериментальное подтверждение в 1919 году, когда английский астроном Артур Эддингтон, наблюдая положение далеких звезд во время солнечного затмения, сравнил его с фотографиями звездного неба в обычное время и обнаружил предсказанное Эйнштейном отклонение на 1,75”. Красное смещение частоты света при движении луча против сил гравитационного поля и фиолетовое смещение, возникающее в противном случае, которое было предсказано на основании ОТО, также доказано экспериментально в прецизионных измерениях с использованием излучения лазера.

Необходимо заметить, что факт независимости скорости света (в вакууме) от относительной скорости источника и приемника не нарушает закон сохранения энергии, поскольку в результате эффекта Допплера происходит изменение длины волны (и, следовательно, частоты) света так, что при относительном движении источника и приемника навстречу друг другу, частота электромагнитных колебаний увеличивается (фиолетовое смещение), а при движении в противоположном направлении частота уменьшается (красное смещение). Поскольку энергия электромагнитных колебаний Е связана с частотой n по формуле E=hn, где h – постоянная Планка, то очевидно, что при встречном движении энергия фотонов (квантов электромагнитного поля) возрастает, а в обратном случае – уменьшается, хотя скорость относительного движения фотонов во всех системах отсчета всегда равна скорости света. В настоящее время существуют и альтернативные теории тяготения, но достаточно широкие объяснительные возможности теории относительности пока оставляют за ней право считаться универсальной моделью гравитации. (См. также: Неевклидова геометрия, Лобачевский, Эйнштейн).


34. Трофические цепи (или цепи питания) – это пути перехода энергии пищевых веществ от первичных продуцентов через ряд организмов, каждый из которых кем-то или чем-то питается и становится пищей для других. Через экосистему вдоль трофической цепи поддерживается поток энергии, который начинается со связывания энергии солнечных лучей и заканчивается полным разложением органических соединений, причем на каждой стадии часть энергии теряется. Так осуществляется биоэнергетический каскад. Каждая способная к самостоятельному функционированию экосистема, состоит, по крайней, мере из двух биологических компонентов – продуцентов и сапротрофов. Между ними обычно существует цепь консументов различной последовательности, разнообразия и сложности.

1). Первичные продуценты – (производители), это автотрофные организмы, которые, используя солнечную энергию, переводят неорганическое вещество в органические соединения и таким образом повышают степень их упорядоченности и поднимают их на более высокий энергетический уровень. Зеленые растения и некоторые бактерии путем фотосинтеза образуют из углекислого газа и воды углеводы – исходный материал для дальнейших реакций синтеза более сложных органических соединений.

2). Консументы – (потребители), это гетеротрофные организмы, которые питаются непосредственно или посредством использования других организмов органическим веществом, синтезированным первичными продуцентами. К консументам относятся прежде всего растительноядные животные и паразиты растений. Растительноядными питаются плотоядные (хищники), а те и другие, в свою очередь, также имеют паразитов.

3). Сапротрофы – (или редуценты, разрушители), это такие организмы, которые в конце концов разлагают растительные и животные остатки до уровня исходных неорганических веществ. Сюда относятся, главным образом, бактерии и грибы, а также почвенные животные. Сапротрофы, наряду с растительноядными животными и иными консументами, могут служить пищей другим организмам, - в этом случае они играют роль вторичных продуцентов. Таким образом, один и тот же организм может быть, в зависимости от его положения в пищевой цепи, вторичным продуцентом, консументом или сапротрофом. Консументы и сапротрофы редко бывают строго специализированны по отношению к одному определенному источнику пищи. В большинстве случаев растительноядные животные питаются разными видами растений, а жертвами хищников становятся разные виды животных. И наоборот, - один вид растений становится пищей для различных консументов, как животных, так и микроорганизмов.

Сложившееся многообразие видов в природе построено по такому принципу, что, для поддержания оптимальной устойчивости данной экосистемы, оно приводит к максимальному увеличению числа степеней свободы и допускает переключение её членов на многие источники питания. Так в экосистеме формируются обратные связи и создаются условия для процессов самоорганизации и саморегулирования, которые поддерживают автоколебания её характеристик около среднего значения и обеспечивают её квазистационарное состояние в течение длительного времени. И хотя трофические связи между организмами одной экосистемы переплетаются самыми разнообразными способами, тем не менее внутри этой пищевой цепи поток энергии идет в определенном направлении, соответствующем самоорганизовавшейся и упорядочившейся структуре. (См. также: Система, Экосистема).


35. Универсальный эволюционизм – фундаментальный философский принцип саморазвития, получивший обоснование в синергетике посредством обобщения дарвиновской концепции биологической эволюции и экстраполяции её на закономерности развития любых сложных неравновесных самоорганизующихся систем. Принцип универсального эволюционизма рассматривает процессы самоорганизации и развития неживых, живых и социальных систем как единый и целостный эволюционный процесс, охватывающий всю суперсистему – Универсум (т.е. Вселенную и встроенного в неё Человека), и подчиненный единому универсальному алгоритму всеобщего саморазвития.

Этот принцип на основе критерия дополнительности соединяет в себе такие важнейшие отрасли постнеклассической науки 20-го века, как постнеодарвинизм и синергетику, основные положения которых – это глобальная информационность, системность, самоорганизация и необратимость времени. Он также учитывает концепцию ноосферы и антропно-космологические идеи, исходя из которых современное естествознание и философия совместными усилиями пытаются осмыслить «феномен человека» (термин П. Тейяр де Шардена) как фундаментальный аттрактор, притягивающий траекторию эволюции Вселенной.

Подход к концепции универсального эволюционизма с информационно-алгоритмических позиций, позволяет трактовать развитие Универсума как сложную и нестабильную систему последовательных событий, стохастически реализующихся на основе предыдущей информации и генерирующих информацию следующего уровня. Это есть неравновесный процесс континуально-дискретного разворачивания своеобразного креода (т.е. пучка траекторий) от Большого взрыва до современной структуры космоса, которая, по современным космологическим представлениям, обеспечила уникальное сочетание необходимых условий для появления в некоторой области Вселенной разумной материи. Вдоль этих траекторий развития по законам вероятности происходит самоорганизация материи от хаоса к порядку, от простых неорганических структур к более сложным органическим, а затем и живым, усложняющимся в процессе цефализации.

Многие траектории развития, несмотря на кажущуюся их уникальность и антиэнтропийный характер отдельных процессов и возникающих при этом структур, направлены в целом к наиболее вероятным в данных условиях состояниям тех или иных структур, которые задаются соответствующими аттракторами, хотя и повышают энтропию всей суперсистемы. В силу возникновения неизбежных ситуаций случайного выбора (через бифуркацию) одной из нескольких возможных траекторий, в результате чего нарушается информационная симметрия предшествующих состояний и изменяется ход эволюции, этот процесс в целом необратим во времени.

На современном этапе познания природы в рамках эволюционно-синергетической парадигмы принцип универсального эволюционизма стал одним из основных методологических подходов к построению картины мира, представляя Вселенную и человека в ней как единую, целостную и взаимообусловленную систему, развивающуюся по универсальным алгоритмам, заключающим в себе конструктивное и формообразующее сочетание стабильности и нестабильности, повторяющегося и уникального, что и задаёт наблюдаемую «стрелу времени» и определяет ход универсальной истории. «Возмущения, случайные взаимодействия критических флуктуаций и бифуркация, наступающая вслед за нуклеацией некоторых флуктуаций, - таковы ключевые элементы, которые определяют интерактивную динамику, отвечающую за эволюцию сильно неравновесных систем в природе, - пишет известный синергетик Э. Ласло. - Мир, который мы наблюдаем сегодня, возник на нашей планете и, возможно, где-нибудь еще во Вселенной из общих начальных условий и дошел до своего современного диверсифицированного (но не упорядоченного) состояния».

Этот процесс саморазвития материи имеет универсальные системные черты, проявляющиеся в эволюции как неживой природы, так и мира живого вещества, а также в развитии сферы человеческого познания и всей культуры в целом. Общие закономерности, свойственные универсальной системно-синергетической эволюции, применимы к самому широкому кругу способов научно-теоретического и образно-художественного осмысления окружающего мира и составляют предмет и один из методов постнеклассической науки и философии.

В середине 70-х годов ХХ века многие ученые и философы стали интенсивно обсуждать картину мира на основе т.н. антропного принципа. Это антропоцентристская космологическая гипотеза, которая утверждает, что все известные фундаментальные характеристики внешнего мира (физические константы, параметры взаимодействий, свойства силовых полей, элементарных частиц, атомов и всей Вселенной в целом) «подобраны» таким образом, чтобы в результате саморазвития материи неизбежно появились высшие формы живого вещества – носители сознания (в частности, человек как свидетель данной формы Вселенной).

Такие выводы основаны на том, что, как показывают расчеты, основанные на последних достижениях современной физики, малейшие изменения известных величин фундаментальных квантовых и космологических констант, таких как скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная, масса и заряд электрона, разница масс протона и нейтрона, соотношение интенсивности четырех фундаментальных взаимодействий, число пространственных измерений (крупномасштабная трехмерность мира) и т.д., привели бы к общей неустойчивости Вселенной, резко ускорили бы процесс эволюции космического вещества, обусловливающий образование галактик, звезд и планет, нарушился бы механизм создания ядер тяжелых химических элементов, стабильных атомов и т.п.

Такое изменение хода ядерных и космических процессов, в конечном счете, исключило бы всякие возможности для возникновения и развития сложных атомно-молекулярных структур, не говоря уже о биологических формах. То есть устойчивое существование и развитие сложных систем критически зависит от соотношения фундаментальных констант, численные значения которых в настоящее время известны, благодаря научному естествознанию. Так, например, астрофизик Б. Картер в 1973 году показал, что равновесие между гравитационными и электромагнитными взаимодействиями внутри звезд соблюдается с высочайшей точностью, порядка 10^-38 %, - и это ему и многим другим ученым представляется отнюдь не случайным явлением природы. Тогда же Картер выдвинул идею о том, что Вселенная должна быть такой системой, чтобы на определенном этапе её развития фундаментальные параметры допускали существование наблюдателей. Аналогичная строгость баланса сил и «подобранность» численных значений, характерна и для всех остальных типов взаимодействий и параметров микромира и космоса.

Современная трактовка антропного принципа сводится, в основном, к трем формулировкам, последовательно усиливающим телеологическую направленность:

1) слабая версия: «Наблюдаемое значение всех физических и космологических констант не случайно, но продиктовано требованием обеспечить существование таких областей пространства, где могла бы возникнуть жизнь на углеродной основе, а также требованием того, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик, т.е. чтобы это событие уже произошло». Эту формулировку вполне можно отнести к высказываниям телеологического типа, в которых признается наличие в мире целевого замысла, осуществляемого какими-либо высшими силами, недоступными рациональному познанию. Здесь также накладываются ограничения на возможность появления живого вещества на другой (например, кремниевой) основе, что можно трактовать как биокарбоцентризм.

2) сильная версия: «Вселенная должна обладать такими свойствами, которые на определенном этапе ее истории позволяют жизни развиться». В этой формулировке телеологическая и биоцентристская направленность усиливаются, но данная картина мира не настаивает на единственности нашей Вселенной и уникальности земных форм жизни, и не исключает возможности существования иных миров, в которых по их типу мироустройства наличие наблюдателя не является обязательным условием. И сильная, и слабая версия антропного принципа, в некотором смысле, подразумевают существование Бога, осуществляющего свой замысел.

3) категорическая версия: «Разумный информационный поток неизбежно должен возникнуть во Вселенной, и однажды возникнув, он уже не может исчезнуть». Эта формулировка самая широкая по содержанию, и не связана с антропоцентризмом и биоцентризмом, поскольку не накладывает никаких ограничений на свойства объекта – носителя разумной информации. Здесь отсутствуют также телеологические и теологические коннотации, т.к. не делаются акценты на факте появления разума как осуществлении замысла высших сил, а утверждается естественный характер процессов самоорганизации и саморазвития материи в том варианте Вселенной (например, в нашем, где уже есть наблюдатель), который реально осуществился наряду со всеми другими возможными (виртуальными мирами). Такие гипотезы о возможности существования множества других миров, организованных по другим законам, имеют некоторую научную опору в современной космологии и синергетике, и согласно этим представлениям, существование различных типов Вселенных, в принципе, современной теорией не запрещается, но эти миры как бы «существуют без свидетелей», т.е. никем не воспринимаются.

Научный статус антропного принципа не очевиден и вызывает дискуссии как среди физиков и космологов, так и среди биологов и философов, многие из которых считают его современным научно модифицированным вариантом религиозного мышления, опирающегося в неявном виде на признание идеи существования Бога. Здесь научное естествознание входит в несвойственную для него область – пытается ответить на вопрос «зачем?», «с какой целью?», вместо обычного «как?», «по какому закону?».

И хотя антропный принцип не является ни эмпирическим обобщением, ни логически вытекающим следствием из известных научных фактов, тем не менее, поскольку на данном этапе развития науки однозначного решения этой проблемы не существует, то исходя из универсального познавательного метода эпистемологической дополнительности, следует считаться и с теми подходами к созданию более полной картины мира, которые открывает антропный принцип. «Настал момент понять, что удовлетворительное истолкование Универсума, даже позитивистское, должно охватывать не только внешнюю, но и внутреннюю сторону вещей, не только материю, но и дух. Истинная физика та, которая когда-либо сумеет включить всестороннего человека в цельное представление о мире», - писал в прологе к трактату «Феномен человека» Тейяр де Шарден.

Идеи, близкие к антропному принципу, содержатся также в учениях русских философов (православных: Н.Ф. Федорова, С.Н. Булгакова, Н.А. Бердяева, П.А. Флоренского и «естественников-материалистов»: Н.А. Умова, В.И. Вернадского, К.Э. Циолковского, А.Л. Чижевского, В.Н. Муравьев и др.). Общий свод этих учений известен под названием философии русского космизма. (См. также: Ноосфера, Хокинг).


36. Уравнение Шредингера –.основное уравнение квантовой механики (см.), описывающее эволюцию квантовомеханического объекта во времени. Оно записывается через оператор Гамильтона (т.н. гамильтониан) и утверждает, что производная волновой функции (t) («пси»-функции) по времени совпадает с результатом действия на (t) оператора Гамильтона  = Н_оп. Это уравнение было постулировано Э. Шредингером на основе аналогии с уравнениями классической оптики, но полученное решение (собственные функции и собственные значения) соответствуют не непрерывно, а дискретно изменяющимся частотам волнового процесса.

Уравнение Шредингера имеет вид: ih*(t)/ t=Н_оп(t), где i – мнимая единица, h – постоянная Планка, и его решение с учетом соответствующих начальных и граничных условий описывает квантовый характер тех или иных процессов микромира. Так, например, из общего вида уравнения Шредингера при определенных условиях следует т.н. стационарное решение: (x,y,z,t)=e^-i(E/h)t(x,y,z), где e^-i(E/h)t – экспонента, Е – собственные значения волновой функции, представляющие собой совокупность энергетических уровней, (x,y,z) – функция только пространственных координат. Уравнение Шредингера линейно, следовательно, если его решением являются две любые собственные функции ₁ и ₂, то его решением является и их линейная комбинация (суперпозиция волновых функций): а₁₁+а₂₂ , - это математическое выражение принципа суперпозиции.

Уравнение Шредингера не выводится логически непротиворечиво из более фундаментальных оснований или соображений, а постулируется, поэтому его описательные возможности можно проверить только эмпирическим путем. В ряде экспериментов (где осуществлялись т.н. чистые состояния, для которых волновая функция существует, например, отдельный атом водорода) были получены очень хорошие результаты, в более сложных случаях – при исследовании поведения больших систем или т.н. квантовых ансамблей (смешанное состояние, где выделить волновую функцию не представляется возможным) приходится прибегать к вероятностно-статистическому описанию состояния объекта, - тем не менее, только аппарат квантовой механики, развитый на основе волнового подхода Шредингера (или аналогичного, матричного варианта Гейзенберга), позволяет получить адекватные результаты при математическом моделировании парадоксальной реальности микромира.

Особый резонанс в неклассической науке и философии вызвал парадоксальный мысленный эксперимент Шредингера под названием «Кошка Шредингера», который выглядит так. Представим, что в закрытой коробке, снабженной устройством, содержащим отравляющее вещество, сидит живая кошка. Это устройство реагирует на световой импульс, создаваемый отдельным квантом света (единичным фотоном). Этот фотон падает на т.н. полуотражающее зеркало, которое способно как отражать свет, так и пропускать его с вероятностью 1/2. Если фотон отразится, то ничего не произойдет, но если он пройдет сквозь зеркало, то запустит механизм, который убивает кошку, но пока коробка не открыта, невозможно узнать, жива кошка или уже мертва. Если бы речь шла о ситуации, в которой прохождение фотона сквозь зеркало носило бы вероятностный характер в классическом смысле, ничего парадоксального в этом рассуждении не было бы, но в квантовомеханическом случае, когда, согласно соотношению неопределенностей, исход опыта в микромире (прохождение фотона) нельзя предсказать принципиально, его результат, проецируемый на макромир (жизнь или смерть кошки) носит такой же квантовомеханический характер, и получается, что принцип неопределенности распространяется в некоторых случаях (пусть сугубо модельных) на реальность макромира!

Иными словами, если судьба фотона (микромир) описывается как результат суперпозиции двух его состояний, выражаемых «пси»-функциями Шредингера (прошел через зеркало – (₁) или отразился – (₂), то получается, что и судьба кошки (макромир) описывается также суперпозицией двух состояний (но уже макрообъекта – жива или мертва кошка), которая (суперпозиция), соответствуя квантовой неопределенности микромира, проецирует эту неопределенность на поведение объектов макромира. Т.е., другими словами, кошка в этих условиях находится между жизнью и смертью до тех пор, пока не будет подвергнута прямому наблюдению, а её существование в этом эксперименте также представляет собой суперпозицию (т.е. квантовомеханическую смесь (а₁₁+а₂₂) двух макроскопических «пси»-функций состояния (т.е. ₁ – жизни и ₂ – смерти) макрообъекта, полученных как бы посредством увеличения квантовых микросостояний.

И точно так же, как вопрос, «что было на самом деле в квантовомеханической системе до опыта над ней?», с точки зрения квантовой механики некорректен, поскольку ответить на него можно только после измерений, дающих необратимый результат (т.е. «самое дело» возникает только в процессе измерений и интерпретации результатов эксперимента наблюдателем, а до этого можно говорить лишь о виртуальных возможностях), также и здесь – вопрос о жизни и смерти макроскопического существа в этом мысленном эксперименте тесно связан с наличием наблюдателя, производящего измерения, – в его отсутствие этот вопрос лишается смысла и речь может идти только о квантовой неопределенности и суперпозиции состояний. Реальный ответ рождается в акте наблюдения и в некотором смысле является результатом коллапса волновой функции, описывающей «квантовомеханическое» состояние кошки как одного из элементов совокупной системы: «фотон – кошка – наблюдатель».

Эту же ситуацию «макроскопической неопределенности» можно повторить, рассматривая несколько иную систему: «атом – кошка – наблюдатель», в которой сигнал к «убийству» кошки подается при акте распада отдельно взятого радиоактивного атома. Дело в том, что обладая вероятностной природой, процесс радиоактивного распада может характеризоваться периодом полураспада или вероятностью распада только в среднем, т.е. при наличии достаточно большого, статистически значимого, количества атомов. Отдельный акт распада – это типично квантовомеханическое явление, подчиняющееся соотношению неопределенностей, и это событие, следовательно, принципиально непредсказуемо. Сам Шредингер по этому поводу говорил, что момент распада отдельного радиоактивного атома ещё менее предсказуем, чем момент смерти здорового воробья. Поэтому и в данном опыте жизнь или смерть кошки, т.е. судьба макроскопического объекта полностью обусловлена принципом неопределенности, свойственным микромиру, т.е. квантовые закономерности как бы транслируются на макромир.

Отмечаемая многими физиками и философами трудность интерпретации этого парадокса квантовой механики связана с тем, что все попытки ввести эту ситуацию в контекст, выходящий за пределы квантовой механики, неизбежно связаны с использованием понятий, имеющих смысловое содержание, обусловленное доминантами классической парадигмы. Именно поэтому неопределенное двойственное состояние кошки воспринимается как парадокс и требует той или иной интерпретации. Однако это не более, чем парадокс классического мышления, связанный с проявлением устойчивых стереотипов обыденного сознания. Если воспринимать квантовую механику как специфический язык, необходимый для описания совершенно несопоставимой с макромиром квантовой и вероятностной реальности микромира, тогда проблема парадоксов полностью исчезает, поскольку в семантике языка квантовой механики таких парадоксов не существует.

Разъясняя специфический характер логики, свойственной языку квантовой механики, в связи с трудностями понимания феноменов микромира (в частности, модели «Кошка Шредингера»), которые резко противоречат здравому смыслу и познавательным традициям классической парадигмы, выдающийся физик современности Стивен Хокинг пишет о том, что философам науки, не говоря уже о простых людях, очень трудно допустить в качестве реальной такую ситуацию, когда кошка как бы наполовину жива, а наполовину мертва. «Эта трудность, - указывает он, - возникает оттого, что они косвенно пользуются классической концепцией реальности, где объект имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что у квантовой механики другой взгляд на реальность. Согласно ему, объект имеет не единственную предысторию, но все возможные предыстории. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной предыстории, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта».

Это один из примеров т.н. квантовой логики, описывающей суперпозицию неопределенных состояний квантовомеханического объекта, а также яркое свидетельство того, как сложно ввести категории фундаментальной неклассической науки, доступные немногим профессионалам, в общекультурный контекст и какую кардинальную ломку стереотипов обыденного сознания это предполагает, - сознания, базирующегося на интуитивно понятной бинарной аристотелевской логике («да» или «нет»), истоки которой восходят к архетипу порядка и которая на протяжении столетий служила опорой здравому смыслу и повседневному опыту.

В 90-е годы ХХ века несколько групп ученых экспериментально воплотили ситуацию, соответствующую этому парадоксу, на примере эффекта сверхпроводимости, когда оказалось, что макроскопическая система может при определенных обстоятельствах находиться в таком состоянии, когда некоторая сугубо макроскопическая величина (например, величина магнитного потока) проявляет закономерности, свойственные типичному квантовомеханическому процессу микромира – туннельному эффекту. Эта величина (магнитный поток) в данных экспериментах не имеет определенного значения, т.е. её поведение не описывается законами классической электродинамики (как ожидалось для обычных процессов макромира), а носит квантовый характер, соответствующий поведению объектов микромира, и подчиняется квантовомеханическому принципу неопределенности.

Отсюда следует, что в общем случае переход от реальности микромира на уровень макромира, т.е. фактор «увеличения» сам по себе, не избавляет результат макропроцесса от квантовомеханической неопределенности, лежащей в основе составляющих его элементарных микропроцессов. Некоторые современные исследователи считают, что для объяснения детерминизма процессов макроуровня и той динамической необратимости, которая приводит к определенности результатов событий, происходящих в макромире, требуются новые физические принципы. Одним из таких принципов, по мнению одного из создателей синергетики бельгийского ученого Ильи Пригожина, видимо может стать принцип неограниченного возрастания энтропии при переходе от микроуровня (элементарных частиц, атомов, полей) к реальности макромира, представленной предметами, содержащими колоссальное количество элементов микромира (т.н. эффект сборки) и процессами, энергия которых несоизмерима с характерной квантовомеханической величиной – фундаментальной постоянной Планка. (См. также: Наблюдение, Шредингер).