Geum.ru

Концепции современного естествознания контрольные работы

Вид материалаДокументы

Содержание


Тейяр де Шарден Мари-Жозеф Пьер
Ускорители заряженных частиц
Подобный материал:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   22

Семейство – категория в биологической классификации, включающая близкие по происхождению роды. Иногда дополнительно вводится ранг подсемейства. Например, семейство кошачьих включает 4 рода с 37-ю видами, среди которых лев, тигр, барс, гепард, леопард, рысь, пума, дикая кошка и т.д. Близкие семейства в царстве животных объединяются в отряды, а в царстве растений – в порядки.


Род – таксономическая категория в систематике растений и животных, объединяющая близкие по происхождению виды. Например, род кошек включает разные виды (всего 29) такие, как камышовая, лесная, персидская, бенгальская, бесхвостая, рысь, манул и т.д. Близкие роды объединяют в семейства, близкие семейства – в отряды.

Вид – качественно обособленная форма живых организмов, основная единица эволюционного процесса. Как таксономическая категория вид выступает в качестве основной структурной единицы, принятой для классификации в систематике живых организмов.

Для обозначения видов употребляется бинарная номенклатура, разработанная и предложенная в 1735 году выдающимся шведским естествоиспытателем Карлом Линнеем (1707 – 1778). Вид определяется как совокупность популяций особей, способных к скрещиванию, дающему потомство, также способное к размножению. Внутривидовые совокупности особей обладают общими морфологическими признаками и физиологическими характеристиками, хотя могут и различаться в деталях (по фенотипу). Они населяют некоторый определенный ареал и обособлены от других популяций (внутривидовая обособленность) взаимными различиями и нескрещиваемостью в природных условиях. (См. также: Популяция, Экология).


Тейяр де Шарден Мари-Жозеф Пьер (1881 – 1955) – выдающийся французский ученый и католический мыслитель – философ, биолог-эволюционист, антрополог, один из выразителей антропно-космологического принципа и провозвестник эволюционной системно-синергетической парадигмы. Антропология Тейяр де Шардена не ограничивает человека земными рамками, - в его учении человек приобретает статус фундаментального паттерна общекосмического масштаба, становится системообразующим элементом всего универсума, а его биологическая и когнитивная эволюция взаимосвязана как с реальностью земной биосферы, так и с процессами, определяющими саморазвитие всей Вселенной. Из этих представлений вытекает тейяровская методология познания мира и человека и соответствующие ей принципы научной рациональности. «Мы вынуждены рассматривать человека как ключ Универсума по двум причинам, - писал ученый. Прежде всего субъективно, для самих себя, мы неизбежно центр перспективы. … Наши, даже самые объективные наблюдения целиком пропитаны принятыми исходными посылками, а также формами и навыками мышления, выработанного в ходе исторического развития научного исследования».

Поэтому в процессе познания достаточно сложных объектов природы очень трудно бывает отделить самого исследователя от предмета его исследований, причем любые попытки сделать это и как-то методологически обосновать, исходя из тех или иных критериев научной рациональности, чаще всего оказываются только видимостью и в целом несостоятельны, потому что познающий субъект не может быть внешним сторонним наблюдателем, а сам находится в этой системе, являясь её составным элементом. Объект и субъект, утверждает в этой связи Шарден, переплетаются и взаимопреобразуются в акте познания. «Волей-неволей человек опять приходит к самому себе и во всем, что он видит, рассматривает самого себя». Во-вторых, замечает он, если человек центр перспективы, то он же одновременно и «центр конструирования Универсума. Поэтому к нему следует в конечном итоге сводить всю науку. И это столь же необходимо, сколь и выгодно. Если поистине видеть – это существовать полнее, то давайте, - писал ученый, - рассматривать человека – и мы будем жить полнее».

Будучи последовательным эволюционистом, Тейяр де Шарден отвергал традиционный геометрический антропоцентризм как пережиток «статического» периода развития познания. Отводя человеку центральное место в космосе и отмечая уникальность его роли как носителя высшей формы самоорганизации материи – сознания и мысли, - он видит вселенского человека не в завершенном окончательном «высшем» состоянии, а рассматривает его только в постоянной динамике, в непрерывном становлении и саморазвитии, в процессе ноогенеза и космогенеза. Этот идеал человека в представлениях Шардена выглядит вполне "синергетически" – как целеобразующий аттрактор, к которому притягивается генеральная траектория эволюции Вселенной. «Человек – не статический центр мира, как он долго полагал, а ось и вершина эволюции, что много прекраснее», - писал ученый.

Процесс саморазвития космической материи Тейяр де Шарден воспринимает только в системном единстве всех элементов мира, включая сознание. «История сознания и его место в мире, - утверждает он, - будут непонятны тому, кто предварительно не увидит, что космос, в котором находится человек, благодаря неуязвимой целостности своего ансамбля образует систему, целое и квант. Систему – по своей множественности; целое – по своему единству; квант – по своей энергии, - и всё это внутри неорганического контура». В этом аспекте его отношение к миру и к способам его познания («Существует лишь один реально возможный способ познавать мир – это брать его как блок, весь целиком») вполне соответствует постнеклассическим системным представлениям, типа «бутстрэпа» или нелокальности. «Каждый элемент космоса, - писал Шарден, - буквально соткан из всех других элементов: снизу он создается таинственным явлением "композиции", представляя собой как бы вершину организованной совокупности; сверху – воздействием единств высшего порядка, которые, охватывая его, подчиняют его своим собственным целям. Невозможно разорвать эту сеть и выделить из неё какую-либо ячейку без того, чтобы эта ячейка не распустилась со всех сторон и не распалась».

Классическое редукционистское сознание для удобства изучения и в силу своих ограниченных возможностей рассекает эту целостность на отдельные элементы так, «как если бы мы могли отделить от неё один фрагмент и изучать этот образец вне всего остального». Однако, заявляет Шарден, «пришло время заметить, что этот прием совершенно искусственный. Взятая в своей физической конкретной реальности, ткань универсума не может разрываться». Можно в целях анализа разбить целое на отдельные части и рассматривать в первом приближении те или иные фрагменты Вселенной – элементарные частицы, атомы, планеты и т.д. как отдельные области или зоны космоса, но, как замечает Шарден, эти многочисленные части и зоны космоса на самом деле неразрывны и самосогласованны, - они сами «охватывают одна другую, не повторяют друг друга, так что никак невозможно перейти от одной зоны к другой путем простого изменения коэффициентов».

Структуры и порядок большого и малого не обладают простым подобием и несоизмеримы, каждый атом или любой другой элемент космоса сопряжен всему пространству, но его нельзя воспринимать как отдельную ячейку Вселенной, - «Ячейка универсума – это сам универсум. … Атом – уже не замкнутый микроскопический мир, как это мы, возможно, воображали. Он – бесконечно малый центр самого мира».

Вот в такой самосогласованной, взаимосвязанной и взаимопроникающей «бутстрэпной» системе, определяющей глубинную структуру физической реальности природы, возникает как результат внутренних процессов самоорганизации материи сначала примитивное живое вещество, затем образуются его более или менее усложненные и разнообразные формы, но процесс восходящей эволюции продолжается и, наконец, порождает разумную форму материи, роль которой уже не ограничивается земным локусом, а выходит в космическую сферу. Все эти последовательные и закономерные стадии развития неживой материи и её физические и химические свойства, согласно антропно-космическим взглядам Шардена, так или иначе соотносятся со свойствами и характером саморазвития высших форм эволюции универсума и взаимоопределяются друг другом, подчиняясь фундаментальным алгоритмам эволюции Вселенной.

«Мы беспрерывно прослеживаем последовательные стадии одного и того же великого процесса, - писал Тейяр де Шарден. – Под геохимическими, геотектоническими, геобиологическими пульсациями всегда можно узнать один и тот же глубинный процесс – тот, который, материализовавшись в первых клетках, продолжается в созидании нервных систем. Геогенез переходит в биогенез, который, в конечном счете, не что иное, как психогенез… Психогенез привел нас к человеку. Теперь психогенез стушевывается, он сменяется и поглощается более высокой функцией – вначале зарождением, затем последующим развитием духа – ноогенезом».

Главным философским итогом всей жизни Пьера Тейяр де Шардена, где он обосновывает свои идеи, разворачивает широкую панораму становления человека разумного в земной биосфере и очерчивает ещё более грандиозные перспективы его ноосферной космической эволюции, стали его труды «Феномен человека» и «Божественная среда». Это исключительно оригинальное и возвышенное учение о процессе саморазвития человечества как биологического вида, направленного от низшей стадии животного существования (сначала в качестве одного из элементов единой и взаимосвязанной системы – земной биосферы) к высшей стадии эволюции – к достижению уровня космического сознания (когда человек в ранге единого коллективного разума становится важнейшим элементом всей Вселенной) ставит Тейяр де Шардена в один ряд с крупнейшими представителями русской космической философии. В этом учении о восходящей эволюции живого вещества от примитивных организмов до высших форм, носителей божественного сознания, (стадии развития – преджизнь, жизнь, мысль и сверхжизнь) выражается идея о том, что человечество способно осуществить высший синтез биологического и духовного начал, создать гармоничную среду обитания, сохраняющую в целостности всё неповторимое своеобразие и всю полноту биосферы, и непрерывно развиваясь к высшим формам духовности, воплотить в реальность т.н. феномен человека как высший замысел, осуществленный в Универсуме (христианский вариант учения о переходе биосферы в ноосферу).

Согласно представлениям Шардена, цель эволюции человека как биологического вида состоит в постепенном формировании на Земле в результате его разумной творческой деятельности, одушевленной христианской верой, т.н. божественной среды – такого состояния среды обитания, в которой биологическая природа человека, его мысль и дух находились бы в гармонии и единстве. По его мнению это может произойти (но совсем не обязательно, - «Величие или рабство? – Всё решает проблема действия») в результате естественного последовательного процесса – сначала физической, химической, а потом биологической эволюции материи, а далее – восходящей эволюции человека от животно-биологической предыстории его развития до интеллектуальной стадии его ноогенеза и, наконец, до совершенно особого состояния – духовно-божественной вершины его космогенеза (достижение точки Омега в его терминологии).

Это состояние будет достигнуто тогда, когда произойдет «смерть материально исчерпавшей себя планеты и разрыв ноосферы», - образ конца света в учении Шардена. Однако человечество, идущее по ноосферному пути, будет готово к этому завершению чисто земной формы жизни, поскольку сможет осуществить возможность перехода к своему новому состоянию – сверхжизни. Об этом новом состоянии человечества и двух возможных вариантах завершения эволюции ноосферы Тейяр де Шарден писал: «Я предполагаю, что нашей ноосфере предназначено обособленно замкнуться в себе, и что не в пространственном, а в психическом направлении она найдет, не покидая Землю и не выходя за её пределы, линию своего бегства». Однако возможен и другой выход – коллективное объединение и синтез всех индивидуумов в систему высшей сложности, которая способна преодолеть земное автономное существование и «покинуть свою органо-планетарную опору и эксцентрироваться к трансцендентному центру своей возрастающей концентрации», что согласно представлениям Шардена, «возможно под совместным воздействием сферической кривизны Земли и космической конвергентности духа в соответствии с законом сложности и сознания. … Это единственный биологический выход, подходящий и мыслимый для феномена человека», - писал ученый.

Этот прорыв человечества в область космического сознания в чем-то аналогичен тому, который в своем учении рассматривал К.Э. Циолковский – образование в результате длительной эволюции новой, энергетически независимой, ипостаси человека, выход этих «эфирных существ» в открытый космос и переход к автотрофной стадии вечного существования во Вселенной. Как бы ни были утопичны такие идеи, они тем не менее, утверждают человека как высший смысл существования Вселенной (по крайней мере, как разумного наблюдателя, необходимого, по антропному принципу, для её реального существования). Но долговременное существование человека, как свидетельствует современная экология, невозможно без соблюдения ряда экологических условий (экологических императивов), которые способны обеспечить устойчивый процесс коэволюции, - а это, в свою очередь, определяется соответствующим уровнем ноосферного сознания человечества и его верой в свою космическую миссию. Поэтому, так же как и Вернадский, Тейяр де Шарден указывает, что «Самая суть понятия ноосферы – вера в призвание людей, которые должны изменить биосферу с помощью науки и техники».


Теорема Нётер – фундаментальная теорема математической физики, утверждающая, что существование любой конкретной геометрической симметрии (сдвиг, поворот, вращение и т.д.) в пространстве и времени для различных тел, систем материальных частиц или физических полей приводит к соответствующему закону сохранения физических величин.

Из этой теоремы вытекает и конкретная структура данного инварианта. Например, в механике из того факта, что все процессы протекают инвариантно (т.е. неизменно) относительно сдвига во времени, следует универсальный закон сохранения энергии. Это обстоятельство (сдвиг во времени) выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени, каждый из которых условно можно принять за нулевой (начало процесса). Из инвариантности процессов по отношению сдвигов в пространстве (что выражает равноправие всех точек и систем отсчета в пространстве) следует закон сохранения импульса или количества движения. Симметрия вращения системы вокруг своей оси, выражающая свойство равноправия всех направлений в пространстве, соответствует закону сохранения момента количества движения. Зеркальная пространственная симметрия, выражающая факт независимости протекания физических процессов при выборе обратной системы координат, соответствует квантовомеханическому закону сохранения четности и т.д.

Эту теорему доказала в 1918 году Эмми Нётер - известный немецкий математик. В дальнейшем её применение было расширено на квантовомеханические объекты и широко используется для построения т.н. групп симметрии в теории элементарных частиц. В большой степени, именно на основе анализа свойств той или иной группы симметрии были теоретически предсказаны многие элементарные частицы и их свойства и, наконец, последние «самые элементарные» – кварки, из которых, по известным и строгим правилам симметрии, «строятся» все остальные барионы, мезоны и гипероны. Из теоремы Нётер в самом общем виде следует, что такие абстрактные понятия, как пространство и время неразрывно связаны с конкретными проявлениями движения и взаимопревращения материальных объектов – частиц вещества и физических полей.


Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства и состояния термодинамических систем, закономерности фазовых переходов между ними как в равновесных условиях (равновесная термодинамика), так и в неравновесных (термодинамика неравновесных процессов). Термодинамика строится на основе трех фундаментальных принципов (эмпирических обобщений):

первое начало – количество теплоты, сообщенное системе, идет на увеличение её внутренней энергии и на совершёние ею механической работы (закон сохранения энергии). Сформулировано в середине 19-го века трудами Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца;

второе начало – в изолированной системе энтропия либо остается неизменной (при идеальном обратимом процессе), либо возрастает и в состоянии теплового равновесия достигает максимума (закон возрастания энтропии). Сформулировано выдающимся немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году, обосновано методами статистической физики Л. Больцманом в 1872 году. Из него, в частности, следует невозможность самопроизвольного перехода тепла от холодного тела к более теплому и осуществления вечного двигателя.

Общепринятая развернутая формулировка второго начала (для макропроцессов) принадлежит известному немецкому физику-теоретику Арнольду Зоммерфельду: «Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом – система переводится в из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые к ней при этом порции тепла dQ, каждая из которых делится на соответствующую её абсолютную температуру To и все полученные таким образом значения суммируются S=(dQi/Toi). При реальных (неидеальных) процессах, происходящих в замкнутых системах энтропия (см.) всегда возрастает».

третье начало – энтропия системы при стремлении температуры к абсолютному нулю (-273о Цельсия) не зависит от параметров системы и стремится к нулю (теорема Нернста-Планка). Нулевое значение энтропии соответствует состоянию абсолютного порядка в системе, когда фактически невозможны никакие, даже самые малые, флуктуации. Однако такие состояния не могут реализоваться в силу того, что квантовому вакууму присущи неустранимые флуктуации энергии, из чего вытекает недостижимость абсолютного нуля в реальных термодинамических процессах.


Ускорители заряженных частиц – установки для получения потоков элементарных частиц (протонов, электронов), а также некоторых ядер, имеющих высокую кинетическую энергию (многие десятки, сотни и, в последние годы, даже тысячи Мэв). Ускорение происходит за счет энергии электромагнитного поля (см.) передаваемой частицам. Существуют линейные и циклические (кольцевые) ускорители, позволяющие получать мощные направленные потоки частиц, ускоренных до субсветовых скоростей, при которых увеличение массы частиц из-за релятивистских эффектов достигает двух – трех порядков. Ускорители – важнейшие инструменты для исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц, с появлением и широким использованием которых связаны главные достижения и открытия в этих науках. Последним крупнейшим достижением в этой области было экспериментальное доказательство существования кварков (см.) – фундаментальных «кирпичиков» материи.

Исторически первым ускорителем был ускоритель американского физика Р. Ван-де Граафа (1901 – 1967), разработанный им в 1931 году, который используется и сейчас для ускорения тяжелых ионов и представляет собой высоковольтный электростатический генератор, создающий разность потенциалов в несколько мегавольт, достоинством которого является непрерывность действия и высокая стабильность. В 1929 году американский физик Э.О. Лоуренс (1901 – 1958) выдвинул идею магнитного резонансного ускорителя – т.н. циклотрона, первый образец которого был запущен под его руководством в 1931 году (Нобелевская премия за 1939 год). При помощи циклотрона были выполнены исследования структуры атомного ядра, изучены многие ядерные реакции, получен ряд радиоизотопов и многое другое.

В начале 40-х годов был разработан индукционный циклический ускоритель электронов – бетатрон, а также импульсные линейные индукционные ускорители, где эффект ускорения достигается при передаче энергии вихревого электрического поля, создаваемого переменным магнитным потоком (как бы первичной обмоткой трансформатора), движущимся заряженным частицам, играющим роль вторичной обмотки. Бетатроны широко используются в науке и промышленности как источники мощного потока высокоэнергетических электронов, так и для получения интенсивных потоков тормозных гамма-фотонов широкого спектра высоких энергий.

В 1944-1945 годах отечественный физик В.И. Векслер (1907 – 1966) и американский Э.М. Макмиллан выдвинули и обосновали ряд идей, приведших к созданию т.н. синхрофазотронов, ускорителей протонов, позволяющих получать пучки частиц с чрезвычайно высокой энергией. Первый из таких ускорителей был пущен в Серпухове в 1972 году и ускорял протоны до энергий в несколько десятков миллионов Мэв (десятков Гэв), ускоритель, построенный в Батавии (США) в 1978 году показал результат 500000 Мэв (500 Гэв), ускоритель, работающий в ЦЕРНе (Швейцария), ускоряет протоны до нескольких тысяч Гэв, а гигантский ускоритель, строящийся в пустыне штата Невада (США) со сверхпроводящими обмотками электромагнитов, обеспечит, согласно расчетам, выход энергии, возникающей при столкновении двух, ускоренных в противоположных направлениях, пучков протонов, порядка 20000 Гэв. Это т.н. сверхпроводящий суперколлайдер (т.е. "столкновитель"). Диаметр кольца этой исполинской машины столь велик, что внутри могло бы поместиться маленькое европейское государство Люксембург.

Релятивистские эффекты при работе таких ускорителей становятся доминирующими и учитываются с помощью формул теории относительности, введенных в программы компьютеров, управляющих процессом передачи энергии от электромагнитов к потоку частиц. Энергетический выход в эксперименте можно увеличить (хотя и не так сильно, как в классической физике) при столкновении не ускоренного пучка частиц с неподвижной мишенью (как в стандартных условиях), а при столкновении двух встречных пучков ускоренных частиц (ускорители со встречными пучками). В самые последние десятилетия ХХ века начали ставить эксперименты со встречными пучками частиц-античастиц, еще многократно повышая этим энергию взаимодействия. Так в 1983 году были открыты очень массивные частицы – переносчики слабого взаимодействия, имеющие массу покоя порядка 80-90 масс протона, предсказанные в теории электрослабого взаимодействия С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу (Нобелевская премия за 1979 год).