«Концепция современного естествознания»
| Вид материала | Документы |
- Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
- Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
- Концепция современного естествознания Пакеты прикладных программ, 22.6kb.
- Концепция современного естествознания Медико-биологические основы физической культуры, 366.1kb.
- Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
- Концепции современного естествознания, 52.76kb.
Объединение физики. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.
Четвертая глобальная естественно-научная революция предопределяется необходимым, но окончательно еще никем не осуществляемым синтезом, доминирующим в макромасштабах общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах квантовыми представлениями о строении материи в единую физическую теорию, объединяющую все четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло: существовали частные теории гравитации и электромагнитных взаимодействий, но о ядерных силах было мало что известно. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории.мы уже не раз сталкивались с миражами! Например, в начале века считалось, что все можно объяснить с помощью свойств, характеризующих непрерывное вещество, скажем, таких, как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности навсегда покончило с подобным подходом. Затем в 1928 г. физик, лауреат Нобелевской премии Макс Борн, выступая перед гостями Гёттингенского университета, сказал: "Физика в том смысле, в котором мы ее понимаем, через полгода кончится". В своей уверенности Борн основывался на недавно открытом Дираком уравнении для электрона. Все думали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона - второй из двух известных тогда частиц, и тогда теоретическая физика кончится. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло и эти предсказания. И все же я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы.
Теории относительности, которая представляет собой частную теорию гравитации, и о частных теориях, описывающих слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия. Последние три теории могут быть объединены в так называемые теории великого объединения, которые нельзя считать достаточно удовлетворительными, потому что они не включают гравитацию и содержат величины, например относительные массы разных частиц, которые не вычисляются теоретически и должны подбираться из условия наилучшего согласия с экспериментом. Основная трудность построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т. е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же частные теории существенно связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Мы знаем, что результатом такого объединения станет ряд удивительных следствий: черные дыры перестанут быть черными, а из Вселенной исчезнут сингулярности, и она станет полностью замкнутой и не имеющей границ. Но, как уже объяснялось в гл. 7, здесь возникают затруднения, связанные с тем, что в силу принципа неопределенности даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары обладают бесконечной энергией, а потому в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc2 их масса тоже должна быть бесконечна. Следовательно, под действием создаваемого ими гравитационного притяжения Вселенная должна, искривляясь, сворачиваться до бесконечно малых размеров.
- Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи.
Все исследования природы сегодня можно наглядно представить в виде большой сети, состоящей из ветвей и узлов. Эта сеть связывает многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук, включая науки синтетические, возникшие на стыке основных направлений (биохимия, биофизика и др.).
Даже исследуя простейший организм, мы должны учитывать, что это и механический агрегат, и термодинамическая система, и химический реактор с разнонаправленными потоками масс, тепла, электрических импульсов; это, в то же время, и некая «электрическая машина», генерирующая и поглощающая электромагнитное излучение. И, в то же время, это - ни то и ни другое, это — единое целое.
Современное естествознание характеризуется взаимопроникновением естественных наук друг в друга, но в нем есть и определенная упорядоченность, иерархичность.
В середине 19-го века немецкий химик Кекуле составил иерархическую последовательность наук по степени возрастания их сложности (а точнее, по степени сложности объектов и явлений, которые они изучают).
Такая иерархия естественных наук позволяла как бы «выводить» одну науку из другой. Так физику (правильнее было бы — часть физики, молекулярно-кинетическую теорию) называли механикой молекул, химию, физикой атомов, биологию — химией белков или белковых тел. Эта схема достаточно условна. Но она позволяет пояснить одну из проблем науки — проблему редукционизма.
Редукционизм (<лат. reductio уменьшение) определяется как господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых элементов. Редукционизм в науке — это стремление описать более сложные явления языком науки, описывающей менее сложные явления или класс явлений (например, сведение биологии к механике и т.п.). Разновидностью редукционизма является физикализм — попытка объяснения всего многообразия мира на языке физики.
Редукционизм неизбежен при анализе сложных объектов и явлений. Однако здесь надо хорошо осознать следующее. Нельзя рассматривать жизнедеятельность организма, сводя все к физике или химии. Но важно знать, что законы физики и химии справедливы и должны выполняться и для биологических объектов. Нельзя рассматривать поведение человека в обществе только как биологического существа, на важно знать, что корни многих человеческих действий лежат в глубоком доисторическом прошлом и являются результатом работы генетических программ, унаследованных от животных предков.
В настоящее время достигнуто понимание необходимости целостного, холистического (<англ. whole целый) взгляда на мир. Холизм, или интегратизм можно рассматривать как противоположность редукционизма, как присущее современной науке стремление создать действительно обобщенное, интегрированное знание о природе.
Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни:
- Молекулярный - Представлен разнообразными молекулами, находящимися в живой клетке,
- Клеточный - Представлен свободно живущими клетками и клетками, входящими в многоклеточные организмы,
- Организменный - Представлен одноклеточными и многоклеточными организмами растений, животных, грибов и бактерий,
- Популяционно-видовой - Представлен в природе огромным разнообразием видов и их популяций,
- Биогеоценотический - Представлен разнообразием естественных и культурных биогеоценозов во всех средах жизни
- Биосферный - Представлен высшей, глобальной формой организации биосистем — биосферой.
- Химия в естествознании. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева.
Формирование современного естествознания - это процесс очень сложный и многоплановый, включающий рассмотрение систем наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, в развитии этих наук в различные исторические эпохи. Одной из важнейших таких систем естествознания, на мой взгляд, является химическая наука. Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками.
Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе - потребность человека получить необходимые вещества, объяснить взаимодействие веществ для своей жизнедеятельности.
Химия очень тесно связана с производством материальных ценностей и является больше практической наукой. Современные достижения химии в ее практической деятельности вносят большой вклад в общее миропонимание, в развитие естественнонаучных знаний, существенно отражаются на состоянии взаимодействия общества с природой. Добавляемые химией и химической производственной практикой знания о природе, о вещах и превращениях веществ, являются основой для формирования мировоззрения человека, развития общих представлений о мире, о природе человека, его деятельности.
Еще с древних времен и вплоть до наших дней в развитии научной, в том числе и химической мысли, почти по всем направлениям можно констатировать позитивный и безостановочный прогресс. Научные знания продолжают постоянно углубляться и совершенствоваться.
Для формирования у современного человека естественнонаучного способа мышления, целостного мировоззрения необходимы и знания основных положений химии, как одной из важнейших наук, ее исторического развития и современного понимания роли химии для жизни и деятельности человека.
Роль вещества и знаний о веществе, природа химических знаний, пути и средства их формирования в историческом развитии - вот то, с чего в можно начать изучение влияния химии на формирование и развитие современного естествознания.
Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым в марте 1869 года при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс. Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».[1] Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов.
Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX века число известных химических элементов было ещё слишком мало, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны.
- Первый этап развития химии - ХУП в. Учение о составе вещества А.Лавуазье.
Первый этап развития химии - учение о составе вещества.
Заложен в работах английского ученого Р. Бойля, который доказал, что свойства тел зависят от того, из каких частиц эти тела составлены. Р. Бойль, что явилось первым уровнем химических знаний и отражено в законе «постоянства состава вещества» Ж. Пруста (1801-1808 гг): «Всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет од и тот же состав».
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном (1803 г.), который открыл закон кратных отношений : «Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа».
В XVII столетии возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основанная на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном.
В 1680-1760 гг. открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец. В 1772-1776 гг. открыт кислород и А.Л. Лавуазье установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии В XVIII в. Лавуазье, открыл закон сохранения массы: «Масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому». Продолжая исследования, Лавуазье установил, что в состав воздуха входит кислород и азот, Генри Кэвендиш доказал, что вода - это соединение водорода и кислорода.
Важный этап в развитии химии связан с именем Якоба Берцелиуса, который предположил существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных перестраиваться при химических реакциях. Заслугой Берцелиуса является введение химической символики, позволяющей обозначать не только элементы, но и химические реакции
1869 г. Д. И. Менделеев разработал основные положения учения о периодичности, сформулировал периодический закон и предложил короткую форму периодической системы элементов, это открытие стало выдающимся событием в химии, приведя ее в состояние стройной систематизированной науки.
До середины XIX в. развитие химии происходило беспорядочно и хаотически: открывались и описывались новые химические элементы, химические реакции, благодаря чему накопился огромный эмпирический материал, который был систематизирован в 1860 г. на первом международном химическом конгресс, где были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, к заявившие о химии, как самостоятельной науке.
Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.
Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками:
1) содержанием большего числа атомов ограниченного числа «сортов»;
2) каждому сорту атомов соответствует определенная координация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав);
3) способностью существовать в виде одного или нескольких химических веществ.
На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.
Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.
Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).
В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.
Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям.
В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы.
Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.
С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение.
«Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.
Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».
- Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия.
Главным достижением этого этапа является установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью (реакционной способностью) соединения.
На этом этапе работы Дж. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара привели к разработке теории различных типов органических соединений, они показали, что частицы вещества (Ш. Жерар предлагал называть их молекулами) представляют как бы единую целую систему взаимосвязанных друг с другом атомов. А. немецкий химик А. Кекуле (1857 г) ввел новый химический термин сродство, который, по-существу, определял валентность в-ва. Под валентностью атомных частиц понимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.
Понятие структура молекулы у А. Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем. Развитие структурной химии связано с теорией химического строения органических соединений русского химика А.М.Бутлерова, в результате химия из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, превращалась в синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.
Структурная химия положила начало триумфальному шествием органического синтеза, но она ограничена сведениями только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, чего недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения этого вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые практически не идут. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.
Современная структурная химия достигла больших результатов: химики заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, и за вторую половину XIX века число было вновь синтезированы более миллиона новых химических соединений, большая часть современных лекарственных препаратов - это продукты органического синтеза.
- Третий этап развития химии как науки (первая половина XX в.) Учение о химических процессах.
На этом этапе химики научились управлять химическими процессами, стала бурно развиваться химическая промышленность, в большом количестве стали производить синтетические материалы, заменяющие дерево, металл, растительные масла. На основе переработки нефти возникло производство искусственных волокон, этилового спирта, каучуков, растворителей, азот воздуха научились превращать в удобрение.
Учение о химическом процессе, начало формирования которого относят ко второй половине XIX-го века, базируется на постулате, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Зарождение новой концепции химии связано с появлением экспериментальных фактов, указывающие на невозможность объяснения химических реакция только на основе особенностей состава вещества и структуре его молекул. Свойства веществ в общем случае зависят и от концентрации реагентов, от внешних условий и окружающей среды, в которых находится система, и от наличия в системе веществ (катализаторов, растворителя, примесей, и т. п.), стехиометрически не участвующих в химической реакции. Предметом изучения в рамках этой концептуальной системы является вся химическая кинетическая система, для которой само вещество, его состав и структура его молекул рассматриваются как подсистема, как часть системы. Многие эмпирические понятия получают теоретическое обоснование в рамках статистической механики и термодинамике, химической термодинамике, химической кинетике и теории каталитических реакций. Создание учения о химическом процессе позволило решать вопросы управления химическими реакциями и процессами, создать новую химическую технологию.
Учение о химических процессах является следующим по сложности уровнем химических знаний. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на:
1. термодинамические, влияющие на направленность химических процессов
2. кинетические, влияющие на скорость химических процессов (ведущую роль здесь играют каталитические методы).
- Четвертый этап развития химии как науки (вторая половина XX в.) Эволюционная химия.
1960 – 1979 г. появился новый способ решения основной задачи химии, в основе которого – использование в химических процессах таких условий, когда происходит самосовершенствование катализаторов химических реакций, т.е. самосовершенствование химических систем. Под самоорганизацией понимается способность системы, состоящей из хаотического множества несвязанных элементов, к самоупорядочению, что свойственно живым системам. Химический реактор на уровне эволюционной химии представляет собой некое подобие живой системы, способной к саморазвитию. Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжается и до настоящего времени, устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы.
Эволюционную химию, считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
Истоки эволюционной химии связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Однако на практике эволюционная химия зарождается в 1950 – 1960 г.г. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых высокоорганизованных соединений без участия человека.
Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме.