Geum.ru

Концепции современного естествознания контрольные работы

Вид материалаДокументы

Содержание


Пригожин Илья Романович
Резерфорд Эрнест
Подобный материал:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   22

Популяция – 1) генетическое определение: более или менее изолированная устойчиво самовоспроизводящаяся группа особей, связанная между собой генетически. Под генетической связью подразумевается обмен генами между особями в результате скрещивания, а также общность некоторых генетически определяемых черт или признаков, унаследованных от предка, общего для данного вида.


2) экологическое определение: любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей того же вида.

Некоторые специалисты считают, что термин «популяция» приложим только к таким группам, которые на протяжении очень длительного времени могут существовать без каких бы то ни было контактов с другими аналогичными группами. Исходя из этого, дается такое определение: минимальная (но достаточно многочисленная) самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая самостоятельную генетическую систему, формирующая собственное экологическое пространство и на протяжении большого числа поколений изолированная от других аналогичных групп. (См. также: Систематика).


Пригожин Илья Романович (1917 - 2003) – выдающийся бельгийский физикохимик, один из основоположников нелинейной динамики, термодинамики необратимых процессов и синергетики. Родился в Москве, в десятилетнем возрасте оказался в Бельгии, где жил и работал, возглавляя научную группу, занимающуюся междисциплинарными исследованиями, связанными с проблемой самоорганизации в неравновесных диссипативных системах различной природы. До последнего времени И. Пригожин был профессором Брюссельского свободного университета, директором Сольвеевского института, а также руководителем Центра статистической механики и термодинамики при Техасском университете (г. Остин, США), где ежегодно проводил несколько месяцев.

Основные работы Ильи Пригожина, которые в 1977 году были увенчаны Нобелевской премией по химии, посвящены неравновесной термодинамике необратимых процессов, проблемам самоорганизации в сложных нестабильных диссипативных системах, изучению динамики хаоса, исследованию процессов, происходящих на различных структурных уровнях, которые приводят к появлению «стрелы времени», и попыткам обосновать фундаментальную роль энтропии в возникновении временной асимметрии, в результате чего происходит необратимый выбор одного «решения» из совокупности нескольких возможных, формируется общий ход макропроцессов от прошлого к будущему и порождается история в самом широком смысле этого понятия.

Фундаментальное значение в теории Пригожина придается также понятию т.н. диссипативных систем, в которых происходят процессы, с одной стороны, творящие беспорядок (хаос в обычном смысле), создающие нестабильность и уводящие систему всё дальше от равновесия, а с другой стороны – создающие порядок, приводящие при некоторых условиях к появлению новых упорядоченных структур, причем, необратимым во времени образом. Диссипативные системы, указывает Пригожин, принципиально отличаются от консервативных динамических систем, рассматриваемых ньютоновской механикой, структура которых лишена случайностей, обусловленных внутренними причинами. Поведение таких систем, следовательно, жестко детерминировано, траектории развития предсказуемы с любой степенью точности, а также обратимы во времени. Это удобная для некоторых частных задач механики идеализация, которая имеет мало общего с реальными природными системами, неотъемлемым свойством которых является открытость, внутренне присущая нестабильность, чувствительность к случайным воздействиям, «склонность» к уходу от равновесия и непредсказуемому хаотическому поведению, результатом чего может стать возникновение новых структур.

Более того, указывает Пригожин, - даже поведение простых динамических систем (которые подчиняются законам ньютоновской механики), состоящих из трех тел (не говоря уже о более сложных), при учете реально существующего между ними взаимодействия приводит, как показал А. Пуанкаре, к неинтегрируемым уравнениям, а это значит, что в обще случае невозможно точно описать траектории движения элементов такого ансамбля. По мнению И. Пригожина, такое поведение сложных систем совершенно не соответствует традиционным классическим представлениям о строгом причинно-следственном детерминизме и, следовательно, о возможности научно обоснованных точных прогнозов, касающихся реальных природных явлений, а не идеальных модельных ситуаций. Открытие Пуанкаре в свое время нанесло первый серьезный удар по гносеологическим концепциям механических детерминистов.

Таким образом, согласно подходу И. Пригожина, процесс самоорганизации в общих чертах следует представлять так: динамический хаос на микроуровне порождает диссипативный хаос на макроуровне, который как бы служит источником порядка, - т.е. при наличии внешних источников энергии с определенной вероятностью (через бифуркации и нуклеации) создает условия для возникновения новых устойчивых состояний в системе (порядка). Пригожин обращает внимание на неоднозначность понятий порядка и хаоса, на несоответствие их представлениям классической науки и обыденного мышления. «Эти две разновидности хаоса не следует смешивать, - объясняет он, – динамический хаос лежит у самого основания микроскопической физики, он включает в себя нарушение симметрии во времени и служит фундаментом макроскопических явлений, управляемых вторым началом термодинамики, в число которых входят приближение к равновесию, а также диссипативные структуры и диссипативный хаос. При исследовании макроскопических уравнений, описывающих диссипативные физические процессы или химические превращения, мы сталкиваемся с системами, микроскопическое описание которых относится уже к хаотическим системам».

В учении И. Пригожина о самоорганизации хаос становится источником любых процессов и превращений материи, допускаемых вторым началом термодинамики и законом возрастания энтропии, в этой системе взглядов «хаос и материя – понятия тесно взаимосвязанные, поскольку динамический хаос лежит в основе всех наук, занимающихся изучением той или иной активности вещества», начиная с физической химии, продолжая космологией и теорией Большого взрыва и заканчивая гипотезами об образовании планет и самозарождении живого вещества.

Равновесные состояния материальных систем, согласно термодинамике, косны и непродуктивны, в равновесии каждая молекула «видит» только своих непосредственных соседей и «общается», т.е. взаимодействует только с ними. Любая часть, выделенная из всей системы, подобна любой другой части этой системы. В состояниях же, далеких от равновесия, каждая часть системы «видит» всю систему целиком, в каждой небольшой её части возникают индивидуальные особенности, становятся возможными резкие флуктуации, в результате которых могут возникнуть новые параметры порядка, задающие переход системы к новым аттракторам. «Можно сказать, - пишет И. Пригожин, - что в равновесии материя слепа, а вне равновесия прозревает. Следовательно, лишь в неравновесной системе могут иметь место уникальные события и флуктуации, способствующие этим событиям, а также происходит расширение масштабов системы, повышение её чувствительности к внешнему миру и, наконец, возникает историческая перспектива, т.е. возможность появления других, быть может, более совершенных форм организации».

В современной постнеклассической науке Илья Пригожин известен также тем, что он очень большое внимание уделяет философским аспектам развития естествознания, проблеме интегративного соединения рационально-логических методов исследования природы, присущих естественным наукам, и образно-художественных способов отображения мира, свойственных гуманитарному знанию, что, по его мнению, должно привести к выработке новых принципов научной рациональности, более адекватных сложной и неоднозначной реальности природы, - т.е. послужить основой для становления новой пострационалистической и постпозитивистской парадигмы. Это необходимо для постепенного преодоления противоречий между «двумя культурами», источником которых, считает Пригожин, в значительной мере является отношение естественников и гуманитариев к восприятию времени, которое для физики (в классической ньютоновской науке, в квантовой механике и теории относительности) служит мерой абстрактной длительности, т.е. математическим параметром, при помощи которого упорядочивается последовательность динамически обратимых стадий, тогда как в гуманитарных науках и искусстве время – это важнейшее понятие, характеризующее необратимый и непредсказуемый процесс становления всего нового из старых отживших форм, появления того, чего раньше не было и что впоследствии тоже может необратимо исчезнуть.

Т.е. время в гуманитарном знании и в художественном творчестве – это фундаментальная категория, без которой невозможно сформировать такие понятия, как эволюция, история, развитие, сюжет. В этом отношении ко времени Пригожин разделяет представления философов А. Бергсона и А.Н. Уайтхеда о времени как творческой силе, спонтанно и непредсказуемо созидающей всё новое, отвергает идею физика Эйнштейна о времени как иллюзии и полностью дезавуирует представления сторонников механического детерминизма о циклическом и обратимом времени, при помощи которого позитивная наука упорядочивает и выстраивает в один ряд причинно обусловленные и точно предсказуемые события окружающего мира.

В предисловии к знаменитому труду «Порядок из хаоса», написанному Пригожиным в соавторстве с французским философом Изабеллой Стенгерс, авторы указывают на то, что реальный прогресс в познании мира может быть достигнут только на пути интеграции всех форм культурного сознания, свойственных человеку: «Мы глубоко убеждены, - пишут они, - что наметившееся сближение этих двух противоположностей [отношение естественников и гуманитариев к проблеме времени и методам познания – А.К.] будет усиливаться по мере того, как будут создаваться средства описания внутренне эволюционной Вселенной, неотъемлемой частью которой являемся мы сами. Нет сомнения в том, что описанная в нашей книге трансформация физических представлений, по своему значению выходит за пределы физических наук и может внести вклад в понимание той исторической реальности, которая является объектом диалектической мысли».

Дальнейшие перспективы развития мировой науки Илья Пригожин связывает с преодолением противоречий, обусловленных гносеологическими, философскими и культурными традициями, с началом межкультурного диалога, с формированием нового метаязыка науки, интегрирующего главные достижения философской и научной мысли Запада (аналитическое «математизированное естествознание», – М. Хайдеггер) и Востока (холистичность картины мира). «Я надеюсь, - пишет он, - что наука будущего, сохраняя аналитическую точность её западного варианта, будет заботиться и о глобальном, целостном взгляде на мир. Тем самым перед ней откроются перспективы выхода за пределы, поставленные классической культурой Запада». Этот современный интегративный подход к познанию мира и человека, который стал основой эволюционной системно-синергетической парадигмы, авторы назвали «новым диалогом человека с природой».


Резерфорд Эрнест (1871 – 1937) – выдающийся английский физик, основоположник атомной и ядерной физики, один из крупнейших ученых ХХ века. Родился в Новой Зеландии, учился в Кентерберийском колледже Новозеландского университета, который окончил в 1894 году. С 1895 по 1898 гг. молодой Резерфорд стажировался в Англии в Кавендишевской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона, который примерно в это время открыл электрон. В 1898 году Резерфорд отправляется в Канаду, где по 1907 год работал профессором Мак-Гиллского университета в г. Квебеке, а в 1907 г. возвратился в Англию и в течение 12 лет работал профессором Манчестерского университета и занимал должность директора физической лаборатории. С 1919 года и до конца жизни Резерфорд состоял в должности профессора Кембриджского университета и директора Кавендишевской лаборатории.

Научная деятельность Резерфорда посвящена исследованиям в области радиоактивности, а также атомной и ядерной физике. Здесь он совершил революционные открытия, полностью изменившие представления о структуре атома и строении вещества. В 1899 году при изучении распада радия им были открыты два вида излучений – альфа и бета, а также новый газообразный радиоактивный элемент – радон (эманация радия). В 1902 году (совместно с Ф. Содди (1877-1956)) Резерфорд разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений химических элементов, в 1903 году экспериментально доказал, что альфа-лучи имеют положительный заряд. В том же году предсказал существование трансурановых элементов, которые, по его представлениям, должны быть радиоактивными. Эти работы были отмечены Нобелевской премией по химии за 1908 год.

В 1908 году Резерфорд и его ученик Ганс Гейгер (1882-1945) сконструировали газоразрядный счетчик для регистрации отдельных ионизирующих частиц (т.н. счетчик Гейгера), при помощи которого было доказано, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Используя явление сцинтилляции (вспышки света) при соударении альфа-частицы с поверхностью, покрытой сернистым цинком, Резерфорд изучил закономерности рассеяния различными атомами альфа-излучения, испускаемого препаратом радия, при прохождении их через тонкие слои различных веществ. Это привело Резерфорда в 1911 году к эпохальному открытию – отныне атом перестал быть неделимой частицей материи, а стал объектом, обладающим сложной структурой, напоминающей строение Солнечной системы – т.н. планетарная модель атома.

Именно это открытие произвело настоящий переворот в многовековых представлениях о мире, сравнимый по последствиям с гелиоцентрической революцией Коперника-Кеплера, и стало началом новой эры в естествознании и философии – эры неклассической науки. Усовершенствованная Н. Бором с помощью квантовой механики, планетарная модель атома на долгие годы стала одной из самых продуктивных научных теорий как в фундаментальном, так и в прикладном отношении, подняв на новый теоретический и экспериментальный уровень спектроскопию, химию, биохимию, генетику и т.д.

В 1914 году Резерфорд открыл протон, и это позволило ему уточнить представления о строении атомного ядра, сопоставляя количество протонов в ядре и порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Пытаясь объяснить на основе существующей теории причину устойчивости ядер, содержащих большое количество одинаково заряженных частиц (протонов), Резерфорд в 1920 году предположил, что должна существовать ещё одна частица, не имеющая электрического заряда, которая могла бы выполнять роль скрепляющего агента. Эта нейтральная частица – нейтрон была открыта его учеником Дж. Чедвиком в 1927 году. Большой вклад Резерфорд также внес в теорию ядерных реакций. Ещё в 1919 году он (совместно с Ф. Содди) осуществил первую искусственную ядерную реакцию, в которой элемент азот при облучении альфа-частицами превращался в кислород с вылетом протона: 7N14+  8O17+p (вожделенная средневековыми алхимиками трансмутация элементов), и тем самым заложил основы физики атомного ядра. В 1933 году совместно со своим учеником, австралийским физиком М. Олифантом, Резерфорд доказал справедливость соотношения между массой и энергией в ядерных реакциях, вытекающего из теории относительности.

Эрнест Резерфорд создал большую научную физическую школу, многие представители которой стали Нобелевскими лауреатами, его собственные открытия получили беспрецедентный резонанс, а научные заслуги в области физики сделали его членом всех академий мира. Будучи одним из крупнейших ученых классического периода развития науки и ещё оставаясь в значительной степени в русле классической естественнонаучной и философской парадигмы, он тем не менее, своими выдающимися исследованиями открыл новую страницу в истории познания мира.


Симметрия – одно из фундаментальных свойств физических предметов и геометрических фигур и тел, допускающее такие преобразования, при которых эти объекты выглядят так же, как и до преобразований. Для системных объектов, состоящих из более или менее эквивалентных элементов, симметричными будут такие преобразования, при которых сохраняется первоначальная структура данной системы в целом. Эти преобразования обеспечивают сохранение совокупности как самих элементов и частей системы, так и соотношений и связей между ними, в которых они состояли до выполнения преобразований. Многие структуры обладают такими элементами симметрии, как: зеркальные отражения (т.н. четность), повороты вокруг осей вращения, пространственные (трансляционные) и временные сдвиги и т.д. При описании физических процессов эти типы симметрии соответствуют симметричной противоположности положительных и отрицательных электрических зарядов, выражаются законами сохранения энергии, количества движения и момента импульса, а также соответствуют обратимости во времени любых динамических процессов, т.е. утверждают принцип инвариантности законов физики относительно таких преобразований координат, или в более широком смысле – представляют симметрию физических законов. Аннигиляция частицы и античастицы, рождение электрон-позитронной пары и некоторые другие явления микромира также представляют собой особое проявление симметрии. Однозначность связи тех или иных законов сохранения с соответствующими типами симметрии доказана в т.н. теореме Нётер, - и это является фундаментальным свойством материального мира.

Симметрия различного типа проявляется в пространственном строении молекул химических соединений, кристаллов, биологических объектов. В мире, например, широко представлена зеркальная симметрия, весьма строгая в неживой природе (кристаллические формы) и приблизительная у живых объектов (тело человека и животных, листья и плоды растений и т.д.).

Согласно принципу, сформулированному выдающимся французским физиком Пьером Кюри (1859 – 1906), симметрия следствий обычно не меньше, чем симметрия причин, тогда как асимметрия порождается предшествующей асимметричной структурой. Возможно (но гораздо реже, чем симметрия из симметрии) возникновение асимметричных форм из предыдущего симметричного, но внутренне нестабильного, состояния какой-либо системы, когда присущая ей скрытая неустойчивость приводит к спонтанному нарушению симметрии, а осуществившееся состояние (нуклеация), в силу различных причин разрастается и необратимо самоорганизуется в новую, уже несимметричную, структуру. В микромире существуют процессы, также объясняемые спонтанным нарушением симметрии, - это возможно в системах, характеризующихся очень большим (практически бесконечным) числом степеней свободы, - это, например, квантовый вакуум, ферромагнетики и т.п. Этот подход лег в основу квантовой теории сверхпроводимости, ферромагнетизма, электрослабого взаимодействия.

В 1964 году последовало еще одно доказательство нарушения зеркальной симметрии на самых глубоких уровнях микромира – несохранение комбинированной четности при распаде короткоживущего нейтрального «ка»-мезона, причем попутно выяснилось, что частицы и античастицы нарушают симметрию не противоположно друг другу, как предполагалось вначале, и не в равной степени, как следует из общих представлений о свойствах «антиматерии» (американские физики, Нобелевские лауреаты, В.Л. Фитч и Дж. У. Кронин). Таким образом было установлено исключительно важное явление природы – асимметрия между веществом и антивеществом. Хотя величина этого эффекта чрезвычайно мала (109+1 частиц на 109 античастиц), роль его в происхождении Вселенной огромна, поскольку именно он обусловливает то количество вещества во Вселенной, которое осталось после почти (но все-таки не совсем!) полной аннигиляции материи во время Большого взрыва, следами чего служит реликтовое излучение.

Известно, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовой молекулы ДНК. Однако, симметричного ей левовинтового варианта в природе вообще не существует, несмотря на то, что никакие фундаментальные физические законы не запрещают образование таких структур. Это также один из примеров спонтанного нарушения симметрии, который показывает, что реальные структуры, возникающие в процессе самоорганизации, могут быть асимметричными, тогда как лежащие в основе всех процессов фундаментальные физические взаимодействия симметричны. Таким образом, пространственная структура всех видов неживой материи и высших иерархических уровней живого в целом симметрична, т.е. нет никаких значительных отклонений правого от левого, тогда как для элементарного уровня живого вещества и для органических молекул всегда характерна асимметрия. Так, органические соединения, существующие в природе и создаваемые живыми организмами (сахара, белки, аминокислоты и т.п.), представлены только какой-либо одной (сахара – правовращающей, аминокислоты – левовращающей) пространственной конфигурацией, причем обратные структуры этих веществ, произведенные искусственно и химически полностью тождественные, живой организм усваивать не будет.

На это свойство молекулярных структур, связанное с деятельностью живого вещества (т.н. киральность), обращали внимание В.И. Вернадский и П. Кюри как на важнейшее и принципиальное отличие живой материи от неживой, выдающийся французский микробиолог Луи Пастер указывал на асимметрию как на важнейшее отличие живых структур от неживых. «Факт, установленный Луи Пастером и объясненный Пьером Кюри, - пишет академик Н.Н. Моисеев, - получил название закона Пастера-Кюри. Он носит совершенно фундаментальный характер. … Если вещество не поляризует свет, оно заведомо не может быть живым. … Сегодня в руках ученых есть довольно много вещества космического происхождения. Это и остатки метеоритов и некоторое количество лунного грунта. И всё это вещество не обладает какими-либо признаками дисимметрии – оно свет не поляризует». Этот факт, считает ученый, является доказательством того, что в ближнем космосе нет достоверных следов жизнедеятельности живых организмов и, следовательно, «одним из важнейших аргументов в пользу гипотезы о том, что земная жизнь имеет чисто земное происхождение».

Одно из важнейших открытий ХХ века в области психологии и нейрофизиологии состоит в том, что человек обладает асимметрией свойств правого и левого полушарий мозга, - коротко говоря, левое полушарие в значительной мере играет роль доминантного, оно «обеспечивает» рационально-логический, «грамматический» тип мышления, управляет речью и движениями правой руки, тогда как правое – создает пространственные образы внешней реальности, создает ориентацию в реальном времени и «отвечает» за образно-художественное, наглядное отображение мира.

Таким образом, представление о симметрии является одним из самых фундаментальных архетипов упорядочивания хаоса окружающей природы, ставший в постнеклассической науке важнейшей и продуктивнейшей категорией познания микромира, мегамира и мира человека.


Систематика – раздел биологии, который занимается описанием, обозначением и классификацией живых (а также вымерших) организмов по группам (т.н. таксонам). Научная классификация также называется таксономией. «Основные задачи систематики – определение посредством сравнения индивидуальных и специфических особенностей каждого вида и надвидовых таксонов, выяснение их частных и общих свойств. Систематика стремится создать всеобщую и естественную систему органического мира, выявить соподчинение таксонов различного ранга – от вила до систематического царства, определить место каждого вида живого в этой системе» (Н.Ф. Реймерс).

Существующую в биологии иерархию живых организмов таксономически можно представить так:

Царство – высшая таксономическая категория классификации в систематике живых организмов. По современной систематике, весь мир живого делится на четыре царства – бактерии и сине-зеленые водоросли, грибы, растения, животные. Царство животных состоит из типов, объединяющих классы и т.д. В более детальном представлении выделяют подцарства и надцарства.

Тип – таксономическая категория в систематике животных, объединяющая близкие по происхождению классы. Все представители одного типа имеют одинаковый план строения. Типы отражают основные ветви филогенетического древа животных. Существуют типы простейших, губок, кишечнополостных, несколько типов червей, моллюски, членистоногие, иглокожие, хордовые. К последнему типу принадлежит класс млекопитающих. Все типы объединяются в царство животных.

Класс – одна из высших таксономических категорий в систематике животных и растений, объединяющая родственные отряды животных и порядки растений. Например, отряды хищных, грызунов, насекомоядных, травоядных и т.д. составляют класс млекопитающих. Существуют такие классы, как: млекопитающие, рыбы, земноводные, ракообразные, пресмыкающиеся, птицы, насекомые и т.д. Классы, имеющие общий план строения и общих предков, образуют типы животных и отделы растений.

Отряд – таксономическая категория высокого ранга в систематике животных, объединяющая родственные семейства. Существуют отряды сумчатых, насекомоядных, рукокрылых, грызунов, хищных, приматов, хоботных, китообразных, ластоногих, копытных и др. Например, в отряд хищных входят семейства кошачьих, куньих, псовых, енотовых, гиены, медведи и т.д. Близкие отряды животных составляют класс.