И, наконец, огромную роль в нынешней естественнонаучной картине мира играют химия и биология. Открытие новых химических элементов, описание их свойств, формулировка периодического закона, исследование химических процессов и т.д. —таков вклад химии в развитие современных представлений о природе. Обнаружение клеточного строения живых тел, изучение молекулярно-генетического уровня биологических структур, а также онтогенетического уровня живых систем, выдвижение эволюционных идей в развитии природы сильно повлияли на утвер­ждение таких принципов современной естественнонаучной картины мира, как системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что Вселенная предстает как наиболее крупная из известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядоченности.

Глобальный эволюционизм —это признание невозможности существования Вселенной вне развития, эволюции.

Самоорганизация —наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе ее эволюции.

И, наконец, еще один принцип —признание историчности, т.е. принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной картины мира.

В данном случае были перечислены лишь важнейшие достижения ряда естественных наук. Вместе с тем нельзя не отметить, что помимо названных наук и другие вносят существенный вклад в становление современной естественнонаучной картины мира (геология, география и др.).

Приведем хронологию наиболее важных событий, согласно современной естественнонаучной картины мира^*.

• 20 миллиардов лет назад — Большой взрыв.

• 3 минуты спустя — образование вещественной основы Вселенной (фотоны, нейтрино и антинейтрино с примесью ядер водорода, гелия).

• Через несколько сотен тысяч лет — появление атомов (легких элементов).

• 19—17 миллиардов лет назад — образование разномасштабных структур (галактик).

• 15 миллиардов лет назад — появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов.

• 5 миллиардов лет назад — рождение Солнца.

• 4,6 миллиардов лет назад — образование Земли.

• 3,8 миллиардов лет назад — зарождение жизни.

• 450 миллионов лет назад — появление растений.

• 150 миллионов лет назад — появление млекопитающих.

• 2 миллиона лет назад — начало антропогенеза.

Тема 3
Наиболее общие свойства материального мира

Шаг за шагом физика раскрывала новые свойства материального мира. В частности, было обнаружено единство прерывного и непрерывного начал в строении материи, что отразилось в понятиях вещества и поля как фундаментальных ее видах, выражающих дискретность материального мира (атомическое вещество) и его непрерывность (поле). Если понятие вещества как формы материи было известно давно, то обнаружение полевых структур материи происходит в XIX веке (М. Фарадей и Дж. Максвелл разработали концепцию поля как самостоятельной физической реальности).

---

С появлением квантовых представлений в центре внимания ученых — процесс диалектического синтеза противоположностей прерывного и непрерывного. Корпускула (частица) понимается как нечто строго локализованное в пространстве; поле (волна) характеризуется отсутствием подобной локализации в пространстве, невозможностью разложения на отдельные элементы и наложением волн. Частицы выступают как носители дискретности, а волны —носители непрерывности. Первоначально в физике выдвигалась идея, что свойства прерывности и непрерывности абсолютно противоположны и не совместимы. Но уже в 1900 году М. Планк, исследуя проблему излучения абсолютно черного тела, высказал предположение, что энергия электромагнитных волн излучается и поглощается в виде определенных квантов энергии. В дальнейшем А. Эйнштейн вводит в физику понятие кванта света (фотона), что позволило ему разрешить загадку фотоэффекта, необъяснимую, если исходить из волновой теории света.

Но объяснить природу света, исходя только из его понимания как потока корпускул, тоже было нельзя (в частности, с этих позиций невозможно объяснить такие точно установленные свойства света, как интерференция и дифракция, допускавших только волновое объяснение). Поэтому Л. де Бройль выдвигает гипотезу о наличии у микрочастиц волновых свойств, а Э. Шредингер открывает основной закон движения микрообъектов (волновое уравнение Шредингера). Почти одновременно со Шредингером В. Гейзенберг строит матричную механику, что утвердило корпускулярно-волновой дуализм в физике.

Однако общепринятого физического осмысления данного явления нет и до сих пор (Л. де Бройль выдвинул для объяснения этого феномена теорию так называемой волны-пилота, согласно которой существует классическая частица, но ее движение управляется связанной с ней волной; Э. Шредингер пытался решить проблему на путях отрицания реальности частиц: физической реальностью он объявил -волны; М. Борн обосновывал статическую интерпретацию -функции; В. Фок определил -функцию как описывающую потенциальные возможности взаимодействия микрообъекта с классическим прибором). И тем не менее квантовая теория поля прочно утвердила идею, что любой элементарной частице сопоставляется соответствующее поле и, наоборот, каждому полю сопоставляются частицы, рассматриваемые как кванты этого поля.

Задача осмысления корпускулярно-волнового дуализма привела Бора к формулированию принципа дополнительности, по которому для воспроизведения целостности изучаемого предмета (явления) необходимо применять взаимоисклю­чающие и взаимоограничивающие друг друга классы понятий. Лишь взятые вместе, они исчерпывают всю известную информацию о данном объекте. Информация, даваемая экспериментами по изучению корпускулярных свойств микрообъекта, и информация, полученная из экспериментов по исследованию его волновых свойств, исключают друг друга, но в то же время обе необходимы для его полного описания, дополняя друг друга. Микрообъект не есть ни частица, ни волна, взятые в отдельности, а единство и того, и другого.

---

Таким образом, в современной естественнонаучной картине мира прочно закрепилась мысль о двух видах материи —веществе и поле, хотя некоторые авторы добавляют сюда и третий вид —физический вакуум. Различия вещества и поля достаточно легко фиксируются лишь на уровне макромира, вместе с тем граница между названными видами становится прозрачной на уровне микрообъектов. Среди фиксируемых различий вещества и поля выделяются следующие:

• по массе покоя (частицы вещества обладают такой массой, а электромагнитные и гравитационные поля, проявляющие себя на уровне макромира, нет; однако уже на уровне ядерных полей это различие не проявляется, так как кванты этих полей обладают конечной массой покоя);

• по закономерностям движения (скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей всегда равна скорости света в вакууме (с), а скорость движения частицы вещества всегда меньше с. Но для квантов ядерных полей невозможна скорость движения, равная с);

• по степени проницаемости вещество, в отличие от поля, малопроницаемо. Опять же на уровне микромира данное различие фиксируется не всегда (нейтрино как частица вещества оказывается весьма проницаемой, а вот ядерные поля малопроницаемы);

• по степени концентрации массы и энергии (очень большая у частиц и очень малая у электромагнитного и гравитационного полей; в микромире ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии);

• по сущностным характеристикам: вещество как корпускулярная, а поле — как волновая сущность. Но данное различие исчезает на уровне микромира, где вещество и поле выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов.

Говоря о третьем виде материи —физическом вакууме, отметим, что согласно квантовой теории поля, частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц с соответствующими им античастицами при достаточно высокой концентрации энергии.

К числу важнейших положений современной физики относится идея неуничтожимости движения. В качестве естественнонаучного обоснования принципа неуничтожимости движения выступает открытый в середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии, который утверждает существование качественно-своеобразных видов энергии и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга и указывает, что в любых процессах в замкнутых системах численное значение энергии остается постоянным. Однако данный закон не раскрывает направления, в котором протекают эти превращения, и сводится лишь к количественным аспектам сохранения энергии.

Аспекты качественного превращения энергии изучаются во втором начале термодинамики и известны как закон возрастания энтропии. Энтропия означает при этом меру беспорядка системы. При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. «Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу»^*.

---

В конечном итоге необратимость процессов превращения энергии приведет к переходу всех ее видов в тепловую энергию, которая со временем рассеется, что и будет означать термодинамическое равновесие, или хаос. Именно такая мысль отчетливо прозвучала в концепции «тепловой смерти Вселенной», связанной с именами создателей классической термодинамики У. Кельвина и Р. Клаузиуса. Фактически они не находили процессов, в которых энергия могла бы повышать свое качество. Поэтому критика теории «тепловой смерти Вселенной» строилась, прежде всего, на поиске неких антиэнтропийных процессов в природе, а также на анализе статистического характера закона возрастания энтропии. Первую попытку такого опровержения предпринял Л. Больцман, считая, что возможны флуктуации, отклонения от состояния теплового равновесия.

Кроме того, не совсем корректна и экстраполяция замкнутой системы на всю Вселенную, опять же в силу статистического характера энтропии, поскольку само формулирование более или менее вероятных состояний системы, состоящей из бесконечного числа частиц, оказывается бессмысленным. Любая замкнутая система приходит в состояние равновесия, лишь если она находится в стационарных условиях. А если эти условия с течением времени меняются, то равновесие не наступает. Но так как существует нестационарное гравитационное поле, то для больших систем, подпадающих под его воздействие, состояние равновесия невозможно.

Более того, в физике прочно утвердилась идея, что материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. Особое место это положение заняло в синергетике —теории самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем (Г. Хакен, И. Пригожин и др.). Синергетика развивает следующие принципы:

• процессы разрушения и созидания, эволюции и деградации во Вселенной равноправны;

• для процессов самоорганизации необходим ряд условий: система должна быть открытой, т.е. взаимодействовать с окружающей средой, а число подсистем должно превышать определенный минимум; система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия;

• для процессов самоорганизации существует единый алгоритм, имеющий место во всех системах, где осуществляется подобная самоорганизация.

Именно в открытой системе происходит обмен с окружающей средой веществом, энергией или информацией. «Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает новая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной»^**.

В открытых системах также имеет место энтропия, но она не накапливается, а выводится в окружающую среду. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Однако существуют случаи самоорганизации иного типа, в которых переход к новым структурам не связан с диссипацией, например, за счет увеличения энтропии самой системы (образование биологических мембран).

---

Синергетика утверждает, что фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение порядка через флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения). Тем самым синергетика привлекла внимание ученых и философов к проблеме случайности, значение которой до этого практически не учитывалось.

Самоорганизация базируется на принципе положительной обратной связи, согласно которому, изменения, происходящие в системе, не устраняются, а накапливаются, что приводит к образованию новой структуры.

Итак, в синергетике выдвигается положение, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем возрастающей сложности и упорядоченности. При таком развитии различаются две фазы:

• период эволюции с предсказуемыми линейными изменениями, приводящими систему к неустойчивому состоянию;

• выход из критического состояния и переход к новому с большей степенью сложности.

Первая фаза заканчивается тем, что система попадает в точку бифуркации, когда возможен выбор путей ее дальнейшего развития, т.е. идет процесс выбора нового аттрактора (притягивающей цели). Но после того как выбор сделан, система начинает переходить в новое устойчивое состояние. Следовательно — хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен, а само развитие осуществляется через неустойчивость, хаотичность.

Развитие большинства открытых систем носит нелинейный характер, а это значит, что в точке бифуркации перед такими системами существует несколько путей эволюции, которые подчас избираются случайно. Тем самым случайность встроена в механизм эволюции. Синергетика настаивает, что подобный механизм самоорганизации имеет место во всех системах открытого типа, находящихся в состоянии неустойчивости.

Тема 4
Структурные уровни организации материи

Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных науках изучаются системы неживой и живой природы.

В неживой природе исследуются элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и их системы, звезды и их системы (галактики), Метагалактика.

В живой —системы доклеточного уровня (нуклеиновые кислоты и белки), клетки, многоклеточные организмы, надорганизменные структуры (виды, популяции, биоценозы) и биосфера.

Помимо такого подразделения, выделяются три уровня строения материи:

• микромир: мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов в пространственных масштабах, не превышающих 10^-8 м, временных от бесконечности до 10^-24 сек;

• макромир: мир макрообъектов (размеры от 10^-8 до 10⁷ м);

• мегамир: мир наиболее крупных объектов (планеты, звезды и т.д.), размеры от 10⁷ м и более.

---

Смотрите также файлы

• Шпоры отредоктируйте Статистика.doc

• энергосбережение шпора.doc

• Testovye_zadania_po_SRS_FiK_BU_zo.doc

• лекции по Истории.doc

• Принципы государственного строительства.doc