Geum.ru

Концепции современного естествознания контрольные работы

Вид материалаДокументы

Содержание


Законы сохранения
Коперник Николай
Кузанский Николай
Подобный материал:
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   22

Законы сохранения – физические законы, утверждающие постоянство во времени физических величин, характеризующих изолированные системы. Некоторые законы сохранения являются универсальными, т.е. справедливы для любых изолированных систем. Это закон сохранения вещества (массы), энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов. Универсальность законов сохранения делает их важным инструментом проверки непротиворечивости любых физических теорий, претендующих на полноту объяснения каких-либо явлений природы.

Кажущееся нарушение таких законов свидетельствует о наличии неучтенных процессов или объектов в рассматриваемом явлении. Так, именно на основании закона сохранения энергии была предсказана труднорегистрируемая в эксперименте частица нейтрино, возникающая при бета-распаде. Подтвержденное нарушение универсальных законов опровергает гипотезу или теорию, в рамках которой это нарушение обнаружено. Например, вследствие нарушения закона сохранения момента количества движения, была отвергнута, на первый взгляд вполне правдоподобная, т.н. небулярная модель происхождения Солнечной системы, выдвинутая И. Кантом и математически описанная П.С. Лапласом.

Кроме универсальных законов сохранения существуют и приближенные законы, справедливые для ограниченного круга явлений и систем, что довольно часто имеет место в квантовомеханических процессах при взаимопереходах элементарных частиц. В микромире существуют процессы, разрешенные многими законами сохранения, но запрещенные каким-либо одним. Специфика такого рода процессов состоит в том, что они на практике либо не наблюдаются совсем, либо происходят с крайне малой вероятностью. Некоторые квантовомеханические процессы сильно подавлены, хотя не запрещаются никакими известными законами сохранения. Для описания таких случаев в физику микромира было введено особое понятие, необходимое при упорядочении нового, необычного с точки зрения классической механики, класса явлений, - т.н. правила отбора. Они устанавливают, какие квантовые процессы разрешены (вероятность велика), какие запрещены строго (вероятность равна нулю) и какие запрещены приближенно (вероятность мала). Существует очень важная для любой физической теории фундаментальная теорема Нётер (см.), которая ставит в соответствие каждому закону сохранения присущий именно ему тип симметрии. Это доказывает глубокую внутреннюю связь универсальных законов сохранения и фундаментальных свойств пространства и времени.


Кварки – шесть пар элементарных частиц (шесть кварков и столько же антикварков), считающихся в современной теории элементарных частиц «истинными фундаментальными кирпичиками» вещества, из которых «состоят» все остальные частицы, кроме лептонов. Из шести пар кварков путем различных комбинаций по два в случае мезонов и по три для барионов и гиперонов можно составить все существующие адроны (частицы, взаимодействующие по типу сильного взаимодействия). Причем истинный механизм сильного взаимодействия состоит в том, что на самом глубоком уровне именно кварки, обмениваясь глюонами, обусловливают характер сильного взаимодействия, обеспечивая существующую степень стабильности адронов.

Представления о кварках (сначала только о трех) ввели в 1963 году независимо друг от друга американские физики М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. В 1969 году на трехкилометровом Стэнфордском ускорителе (Калифорния, США) были получены экспериментальные доказательства существования кварков, путем анализа траекторий рассеяния ускоренных до колоссальных энергий электронов на «внутренностях» протонов. Этот эксперимент фактически повторял то, что в начале века делал Резерфорд, бомбардируя атомы альфа-частицами, но только теперь энергии «зондирования» протонов возросли в миллионы раз. Само название «кварк» Гелл-Манн взял из романа Джойса «Поминки по Финнегану», где оно отражает атмосферу абсурда. Дело в том, что свойства этих частиц не вписывались в уже известные квантовые характеристики. Для них пришлось вводить новые квантовые параметры такие, как «цвет», «шарм» (очарование), «красота», «аромат», - т.е. термины, не имеющие на самом деле никакого отношения к привычным их значениям, а просто служащие для обозначения ряда сохраняющихся при взаимодействиях частиц квантовых параметров.

Хотя понятие «цвет» использовалось по прямой аналогии, - кварки условно наделялись тремя дополнительными цветами (красным, синим и зеленым), которые смешиваются так же, как и в оптике. В любой момент времени суммарный цвет трех кварков, входящих, например, в состав протона или нейтрона (лишенных этой квантовой характеристики), должны давать белый цвет. К еще одной интересной особенности кварков относится то, что они обладают необычным электрическим зарядом, равным 1/3 или 2/3 от заряда электрона. Раздел физики элементарных частиц, оперирующий кварковой моделью, называется квантовой хромодинамикой (КХД).

К настоящему моменту экспериментально доказано существование всех шести кварков, причем также получила объяснение невозможность выбивания их из «тела» элементарных частиц в свободное состояние, поскольку еще одно необычное их свойство, согласно КХД, состоит в том, что, в отличие от закономерностей всех известных взаимодействий, сила притяжения между кварками в глюонном поле не уменьшается с увеличением расстояния между ними, как в обычных полях, а наоборот – возрастает. По нынешним представлениям, кварки навсегда замурованы внутри частиц, ибо даже теоретически, в самом отдаленном будущем, не предвидится создание такого ускорителя, который мог бы сообщить частицам энергию, порядка 1017 Мэв, достаточную для высвобождения кварков, как например, это было в случае обменных мезонов. Данная проблема получила название конфайнмента или удержания кварков в адронах.

В приведенной таблице указаны три фундаментальных семейства кварков (из которых состоят тяжелые частицы) и лептонов, которые на сегодняшний день считаются истинно элементарными. Масса и электрический заряд приведены к соответствующим параметрам электрона.


Частица Масса Заряд Заряд слабого Заряд сильного

электрический взаимодействия взаимодействия

Электрон 1 -1 -1/2 0

Нейтрино эл. 10-5 0 1/2 0

u-кварк 8,7 2/3 1|2 красн., зелен.., синий

d-кварк 13,7 -1/3 -1/2 красн., зелен., синий

Мюон 203,7 -1 -1/2 0

Нейтрино мю. 0,5 0 1|2 0

c-кварк 2963 2/3 1|2 красн., зелен., синий

s-кварк 296,3 -1/3 -1/2 красн., зелен., синий

Тау-частица 3518 -1 -1/2 0

Тау-нейтрино 61 0 1|2 0

t-кварк 3,5.105 2/3 1|2 красн., зелен., синий

b-кварк 9629 -1/3 -1/2 красн., зелен., синий

Каждый кварк имеет соответствующий антикварк, так же, как каждая частица имеет свою античастицу. Барионы состоят из трех кварков, например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка, мезоны – из каких-либо двух остальных. Все стабильное вещество во Вселенной, т.е. частицы, атомы и молекулы, состоят из электронов, u-кварков и d-кварков. Остальные кварки определяют структуру мезонов и гиперонов. В настоящее время совершенно непонятно, почему масса различных кварков имеет такое большое отличие. (См. также: Элементарные частицы).


Клонирование (от греч. клон - ветвь, отпрыск) – создание последовательности следующих друг за другом поколений наследственно однородных потомков одной исходной особи какого-либо вида живых организмов (микроорганизма, растения, животного), образованной путем бесполого (вегетативного) размножения. Такие организмы являются практически полными генетическими копиями исходного предка. Клоном также является культура какой-либо ткани организмов (совокупность клеток), полученная посредством митотического деления (митоза). В естественных условиях процесс клонирования происходит при делении клеток различных микроорганизмов, вегетативном (например, посредством укоренения черенков) размножении растений, в результате партеногенеза у насекомых, ракообразных и т.п., и характеризуется теоретически полной передачей генетической информации от предка к потомку. Любой орган тела животных и человека в этом смысле представляет собой клон, однояйцовые близнецы, сколько бы их ни было – это тоже клон.

В последние годы в связи с общими успехами, достигнутыми в науке, особенно в медицине, биологии, генетике и генной инженерии, возник интерес к изучению возможности клонирования (т.е. создания генетической копии) высших животных и даже человека, мотивацией чего является проблема пересадки больным абсолютно биологически совместимых (в сущности своих собственных и потому неотторгаемых) «запасных» органов в терапевтически безнадежных случаях. Появились сообщения об определенных успехах в этой области (клонирование овцы Долли из клетки взрослой особи и обезьянки Тетры путем деления оплодотворенной яйцеклетки на несколько частей и внедрения их другим матерям, т.д.). Существуют и многие другие менее известные и даже закрытые работы по этой проблеме, направленные на клонирование человека. Некоторые известные специалисты утверждают, что перспективы клонирования человека вполне реальны, однако реакция общества оказалась неоднозначной, поскольку эта проблема далеко выходит за пределы естествознания, биологии и медицины и требует осознания с точки зрения морали, этики, философии и религии.

Важной негативной особенностью процесса клонирования высших организмов (овца Долли) оказалось то, что возраст клонированного организма изначально не может быть меньше, чем возраст особи, являющейся клеточным донором, поскольку в ДНК исходной клетки, помимо необходимой генетической информации, содержатся и все ошибки, накопившиеся за годы существования организма-донора. Это может привести к тому, что клонированный организм получит по наследству не только генетические дефекты, в той или иной мере изначально присущие донору, но и новые болезни, которые могут возникнуть у клона в результате приобретенных по разным причинам донором в течение его жизни деструктивных изменений на клеточном уровне.

В самой возможности клонирования того или иного отдельного органа ничего аморального нет, однако на данном этапе развития биологии это вряд ли осуществимо, поскольку любой орган как законченная полноценно функционирующая структура может сформироваться только в системе всего организма. Что касается клонирования клеточной культуры, то польза таких исследований очевидна. Эти клетки можно будет вводить в поврежденный орган, в котором они будут встраиваться в его структуру, заменяя поврежденные или дефектные клетки.


Коперник Николай (1473 – 1543) – выдающийся польский астроном, создатель гелиоцентрической системы мира. Родился в г. Торуни, начальное образование получил в местной школе при костеле св. Яна, затем учился в Краковском университете (1491-1495), после окончания которого в 1496 году отправился в путешествие по Италии. Осенью 1496 года он записался на юридический факультет Болонского университета. В Болонье Коперник познакомился с астрономом Доменико Новаррой, с которым 9 марта 1497 года он провел свое первое научное наблюдение за движением Луны. Некоторые факты этих наблюдений не соответствовали геоцентрической модели Птолемея и именно это событие, вызвавшее у молодого Коперника большой интерес к астрономии, навсегда определило его научную судьбу. В 1498 году Коперник был заочно утвержден в сане каноника Фромборкского капитула (Польша), но на родину он возвратился только в 1503 году, после прохождения курса медицины в Падуанском университете и получения степени доктора богословия в университете Феррары. Во Фромборке Коперник начал проводить систематические астрономические наблюдения, пользуясь известными в то время довольно примитивными приборами параллактического типа.

В 1516 году в трактате «Малый комментарий» Коперник дал предварительное изложение основ своего учения, но пока только в виде гипотез, не снабженных математическими доказательствами, поскольку планировал в дальнейшем написать обширный труд, в котором новая система мира была бы представлена с полным обоснованием. В 1523 году, наблюдая планеты в момент их противостояния, т.е. в положении, когда они находятся в области небесной сферы, противоположной местоположению Солнца, Коперник обнаружил еще один факт, противоречащий учению Птолемея. Он опроверг традиционные представления о неподвижности планетных орбит в пространстве, доказав, что зафиксированные в «Альмагесте» (1300 г.) координаты прямой, соединяющей наиболее близкие и наиболее удаленные от Солнца точки планетной орбиты (т.н. аспид), за прошедшие два столетия изменились. В результате анализа своих наблюдений и на основании вполне четких представлений об относительном характере движения Коперник также установил три типа движения Земли.

Характеризуя суточное движение Земного шара относительно звездного неба, он пишет, что «небу принадлежит только видимость суточного обращения, действительность же его – самой Земле, так что здесь происходит то, о чем сказано в «Энеиде» у Вергилия – От гавани мы отплываем, а земли и сёла от нас убегают». Второй тип движения Земли – годовой оборот вокруг Солнца – Коперник характеризует так: «То, что нам представляется как движение Солнца, происходит не от его движения, а от движения Земли, вместе с которой мы обращаемся вокруг Солнца, как любая другая планета». И третий тип движения Земли, установленный Коперником, состоит в т.н. прецессии, совершаемой осью вращения Земного шара, т.е. в описывании земной осью конической фигуры, в результате чего земному наблюдателю кажется, что вращается плоскость эклиптики.

Огромный экспериментальный материал, собранный Коперником в течение тридцати лет непрерывных наблюдений, позволил ему получить более или менее убедительные доказательства ошибочности Птолемеевской системы мира и построить модель, в которой «центром мироздания» являлось Солнце. Для убедительного обоснования своей модели мира Копернику пришлось также выполнить большой объем тригонометрических исследований, результаты которых он изложил в книге, вышедшей в 1542 году в немецком городе Витгенберге «О сторонах и углах треугольников как плоских, так и сферических», где в приложениях были даны подробные таблицы синусов и косинусов. Первый экземпляр гениального труда Коперника «Об обращении небесных сфер», в котором была подробно изложена гелиоцентрическая система мира был отпечатан в Нюрнберге и попал в его руки, когда великий ученый был уже при смерти. Он скончался 24 мая 1543 года. Этим годом датируется начало величайшей научной революции в истории европейской культуры.

Нельзя сказать, что новая модель, в которой орбиты планет по-прежнему описывались окружностями, устранила все недостатки громоздкой и неудобной Птолемеевской системы, включавшей более 70 эпициклов и эквантов для учета попятного движения планет. В модели Коперника эпициклов стало меньше – около 30, - и это существенно упростило схему астрономических расчетов, однако окончательно проблему соответствия модели и объекта не решало. Только почти через 60 лет труд Коперника завершил Кеплер, обнаружив, что орбиты имеют эллиптическую форму, а вся «конструкция» подчиняется простым математическим законам (Законы Кеплера). Однако ни Коперник, ни Кеплер не могли объяснить, какая естественная причина лежит в основании именно такого мироустройства, считая, что ссылки на красоту Божественного замысла вполне достаточно. Научный же ответ на вопрос, почему так устроена Солнечная система, дала теория Ньютона, основанная на законе всемирного тяготения, что тем не менее, не может рассматриваться как логический способ опровержения представлений о существовании высшего замысла.


Кузанский Николай (1401 – 1464) – один из крупнейших мыслителей эпохи Возрождения, философские и космологические труды которого подготовили почву для величайшего культурного явления европейской истории – гелиоцентрической революции Коперника, Кеплера и Галилея.

О Николае Кузанском известно, что он (тогда ещё Николай Кребс) родился в селении Куза в Южной Германии, что рано покинул родной дом и нашел покровительство у графа Т. фон Мандершайда, который послал одаренного юношу в Голландию. Там Николай получил начальное образование в монашеской школе «братьев общей жизни», освоив греческий и латынь и приобретя необходимые в то время теологические и философские познания. Вернувшись в Германию, он продолжил образование в Гейдельбергском университете, после чего в 1417 году отправился в Италию, где обучается в Падуанской школе церковного права, попутно много занимаясь естественными науками, математикой, медициной, астрономией, географией.

За годы, проведенные в Италии, Николай приобретает весьма основательное образование и в 1423 году получает звание доктора канонического права. По возвращении в Германию он в 1426 году получает сан священника и всецело посвящает себя богословской деятельности, не оставляя при этом философии и естествознания. Примерно за 20 лет Николай Кузанский делает блестящую церковную карьеру, становясь одним из самых видных иерархов католической церкви – в 1448 году стал кардиналом, в 1450 – епископом Бриксена и папским легатом на территории Германии, а с 1458 года и до конца жизни занимает пост генерального викария в Риме.

В философских и естественнонаучных трактатах Николая Кузанского отразились все основные вехи становления новой познавательной парадигмы и получил начало процесс «рационализации» образа Создателя как великого архитектора мира, заложившего в план своего творения (Вселенной) число и математические принципы, которые доступны человеческому разуму. «Все наши мудрые и божественные учители, - пишет он, - сходились на том, что видимое поистине есть образ невидимого и что Творца таким образом можно увидеть по творению как бы в зеркале и подобии». Эта важная и очень плодотворная для всей европейской науки идея ("математика как зеркало природы") впоследствии была использована и развита Галилеем и Декартом, получила подтверждение в небесной механике Ньютона и Лапласа и была философски узаконена Кантом. В частности, представление Кузанского о том, что «путь к неизвестному может идти только через заранее и несомненно известное», также легло в основу эпистемологии Декарта и стало одним из классических принципов научной рациональности.

В таком отношении Николая Кузанского к проблеме познания мира уже заложены представления о сочетании чистой науки (математики) с, так сказать, «прикладными» задачами (познание видимой реальности), - т.е. в его подходе в целом примиряется учение Платона о недостоверности чувственного опыта и необходимости постигать только (как абсолютные истины) абстрактные идеи вещей с подходом Аристотеля, утверждавшего приоритет наблюдений и чувственного опыта над отвлеченной математикой. «Всё чувственное пребывает в какой-то постоянной шаткости ввиду изобилия в нём материальной возможности, - пишет он в трактате "Об ученом незнании". - Самыми надежными и самыми несомненным для нас оказываются поэтому сущности более абстрактные, в которых мы отвлекаемся от чувственных вещей, - сущности, которые и не совсем лишены материальных опор, без чего их было бы нельзя вообразить, и не совсем подвержены текучей возможности. Таковы математические предметы».

Реальные вещи, считает Николай Кузанский, суть подобия скрытых от нас истинных образцов творений Создателя, которые «связаны для нас темной и непостижимой соразмерностью так, что совокупность вещей образует единую Вселенную». Но поскольку в нашем распоряжении находятся только подобия и «разыскание ведется всё-таки, исходя из подобий, нужно, - утверждает Кузанский, - чтобы в том образе, отталкиваясь от которого мы переносимся к неизвестному, не было, по крайней мере, ничего двусмысленного». Таким образом, Николаю Кузанскому ясно, что естественный язык (идолы рынка по Ф. Бэкону) для этой цели явно не подходит, что для истинного познания требуется более подходящий и точный, не опирающийся на слова, а чисто символический способ описания и отображения подобий, поэтому «если приступить к божественному нам дано только через символы, - пишет он, - то всего удобнее воспользоваться математическими знаками из-за их непреходящей достоверности».

Чрезвычайно важными для развития научной космологии того времени явились рассуждения Николая Кузанского о геометрических образах бесконечного (соотношение максимума и минимума) и выводы о том, что на бесконечности конкретные представления о точной форме и размерах геометрических фигур и тел (имеющие математическое обоснование при малых размерах) размываются настолько, что невозможно представить себе, например, окружность как реальную фигуру, имеющую центр и границу, треугольник и квадрат как отличающиеся по форме и т.д., поскольку, согласно его логике, минимальное и максимальное на бесконечности совпадают. Поэтому, переходя в рассуждениях к чистой бесконечности, считает Кузанский, невозможно логически построить такие геометрические понятия, как подобие и отличие, – любая фигура не отличается от другой, прямая не отличается от окружности, треугольник от прямой, понятие границы Вселенной и её центра становятся несостоятельными. «В движении [небесных сфер] не достигается простой максимум, каков фиксированный центр, - пишет он, - из-за необходимого совпадения минимума с максимумом такой центр мира совпадет с внешней окружностью. Значит у мира нет и внешней окружности».

Таким образом, Николай Кузанский преодолевает «космологический парадокс», неизбежно возникающий с принятием идеи границы Вселенной («А что же дальше?»), существующий в античной Геоцентрической системе, переходя в другую модельную схему, где для бинарной оппозиции «центр – граница», а значит и соответствующего ей парадокса просто нет места. Если нет внешней окружности, рассуждает он, то нет и центра этой окружности, а также значит нет и небесного тела (например, Земли), которое его занимает. Следовательно, «раз Земля не может быть центром, она не может быть совершенно неподвижной, а обязательно движется. … И как Земля не центр мира, так и сфера неподвижных звезд не есть его окружность» – заключает Николай Кузанский. Несмотря на определенную умозрительность этих построений, учение Николая Кузанского о единстве и бесконечности Вселенной послужило важным подспорьем для последующего пересмотра системы мира К. Птолемея и легло в основу более рафинированных идей одного из первых «космистов» - Джордано Бруно о бесконечности Вселенной и множественности солнц, планет и обитаемых миров.