Концепции современного естествознания

Было установлено, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света. Оказалось, что свет - это электромагнитные волны определенной длины. Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны. Представление о том, что свет является электромагнитной волной, получило всеобщее признание. Таким образом, было открыто поле.

В конце 19-го века утвердилось понятие поля как особого вида материи, свойства которого невозможно объяснить механистическими закономерностями. Материя существует в 2-ух видах - вещества и поля, вместе с тем, у них выделялись существенные различные свойства:

1. способ распространения: вещество дискретно (прерывно), поле - непрерывно.

2. вещество обладает массой покоя, а поле - нет.

3. вещество может двигаться с разной скоростью, на всегда на много порядков меньше скорости света. Поле распространяется с постоянной скоростью приближенно равной скорости света (300 000 км/с)

4. вещество мало проницаемо, поле проницаемо.

Итак, в классической физике вещество и поле рассматриваются отдельными друг от друга как 2 качественно своеобразных вида материи. Однако, с развитием физики противопоставление вещества и поля в классической физике сменилось пониманием их взаимосвязей и взаимодействия между ними в современной физике.

Тема 4. МИКРОМИР: КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ (квантовая физика)

1. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ МИКРОМИРА

Понятие и принципы классической физики оказались неприемлемыми и к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами (электроны, протоны, нейтроны и др.). Они образуют невидимый для нас микромир, поэтому свойства видимого нами микромира не похожи на свойства объектов макромира. Это привело к созданию новой науки - квантовой механики, изучающей законы движения и взаимодействия объектов микромира.

Оказалось, что на микроуровне одни и те же объекты обнаруживают как корпускулярные, так и волновые свойства (Макс Планк 1900 год - год рождения квантовой механики). Макс Планк изучал процесс излучения абсолютно черного тела, он пришел к выводу, что излучение энергии происходит не непрерывно - отдельными дискретными порциями - квантами.

Позднее эта гипотеза была обоснована Эйнштейном, который создал квантовую теорию света. В 1905 году он применил квантовые представления при объяснении фотоэффекта (нобелевская премия), понял, что свет имеет прерывистую структуру. Он назвал его фотоном.

Это означало признание корпускулярных свойств света.

Возникала парадоксальная ситуация: в одних опытах (фотоэффект) свет обнаруживал корпускулярные свойства, в других (дифракция, интерференция) - волновые свойства. Это означало, что свет имеет сложную природу, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами - корпускулярно-волновой дуализм (двойная природа света).

Дэвисон и Джермер экспериментально доказали, что частицы также обладают корпускулярно-волновую теорию.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, предположив, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

В 1927 году эту гипотезу экспериментально подтвердили Дэвисон и Джермер. После этого признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.

Итак, всем микрообъектам присущи и корпускулярные и волновые свойства. Для них существует потенциальная возможность проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы. На основе этих представлений в 1927 году физик Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимодополняют друг друга. Поэтому полную информацию о свойствах микрообъекта можно получить только при учете и корпускулярной и волновой картин, они взаимно дополняют друг друга.

В 1927 году Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно определить координаты, т.е. местоположение и ее импульс.

В классической физике предлагается, что всякая частица, движущаяся по определенной траектории, поэтому в любой момент времени можно точно фиксировать ее координаты и импульс, микрочастицы же из-за наличия у них волновых свойств, не движутся по определенной траектории, поэтому если мы получим точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной и наоборот. Таким образом, для микрочастиц не существует состояния, при котором ее координаты и импульс имели бы одновременно точное значение. С точки зрения квантовой механики предсказание поведения микрообъектов имеет вероятностный характер. Законы квантовой физики - статистические, законы классической физики - динамики.

2. АТОМИСТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ

Атомистическая гипотеза строения материи выдвинута в античности Демокритом. В 18 веке доказана реальность существования атомов. Но вопрос о внутреннем строении атомов не возникал, т.к. они считались неделимыми.

Исследования строения атома началось с открытия в 1790 году Томпсоном электрона. Он предложил первую модель атома, согласно которой электроны плавают внутри положительно заряженной сферы. Но эта модель существовала недолго. В 1711 году Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра, и создал планетарную модель атома: в центре атома положительно заряженное ядро, вокруг него по разным орбитам вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Но эта модель столкнулась с 2-мя основными трудностями. Из этого следовало, что движущийся с ускорением электрон должен изучать электромагнитные волны и впоследствии этого упасть на ядро, разрушив атом. Однако опыт показывает, что атомы - это устойчивые образования, из этого следует, что испускаемый атомами свет должен иметь непрерывный спектр, тогда как они линейчатые.

В 1917 году Нильс Бор предложил качественно новую квантовую модель атома.

Бор взял за основу планетарную резерфорда, он дополнил ее 2-мя постулатами, совершенно несовместимыми с классической физикой:

1. В атоме существуют несколько стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию (устойчивость атомов объяснил этот постулат)

2. При переходе атома от одной стационарной орбиты на другую он испускает или поглощает квант энергии (непрерывность, линейчатость спектра атомов).

Модель Бора точно описывала атом водорода, но испытывала трудности при объяснении многоэлектронных атомов. Теория Бора была важна в квантовой механике, но она обладала внутренними противоречиями:

В ней используются законы классической физики, но одновременно вводятся квантовые постулаты, современная теория атома основана на квантовой механике, согласно которой не существует вполне определенных круговых орбит, как в теории Бора. В силу волновой природы электрон «размазан» в пространстве. Мы не можем предсказать траекторию, по которой будет двигаться электрон, а можем лишь вычислить вероятность обнаружения электрона в разных точках. Подобная ситуация отличалась от классической физики.

3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) - это первичные неделимые частицы, из которых по предположению состоит вся материя.

В современной науке этот термин означает частицы, входящие в состав атома.

В конце 19-го начале 20-го веков были открыты составные элементы атомов: электрон, протон, нейтрон.

Далее в результате исследований космических лучей были обнаружены десятки новых элементарных частиц. Сегодня известно около 400 тыс. элементарных частиц. Большинство из них имеют античастицы (отличаются знаком заряда) и некоторыми другими свойствами.

При столкновении частицы и античастицы происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) с появлением других частиц.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1. Наличие у них массы покоя. В соответствии с их массой частицы подразделяются на лептоны (легкие частицы), барионы (тяжелые частицы) и мезоны (средние частицы).

Имеются частицы, которые не имеют массы покоя, например, фотон.

2. Заряд характеризует связь с электрическим полем. Частицы могут иметь положительный, отрицательный и нулевой заряд.

3. Время жизни (стабильные: электрон, протон, фотон, нитрино). Все остальные нестабильны, врем жизни от 10?10 с до 10?20 с.

4. Спин - собственный момент количества движения частицы, который может иметь целые и полуцелые значения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ:

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

1. Сильное (самое сильное из всех). Обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Действует на очень маленьких расстояниях. Радиус действия ограничен размером ядра.

2. Электромагнитное. Присуще только элементарным частицам, поэтому в зависимости от знака заряда может проявляться как притяжение, так и отталкивание. Приблизительно в 100 раз слабее сильного, но радиус действия практически неограничен. Благодаря нему возникают атомы, молекулы и микроскопические тела. Оно обусловливает также физические и химические свойства вещества.

3. Слабое (слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного). Обладает очень малым радиусом действия, поэтому его влияние распространяется на субатомные частицы. Оно ответственно за распады частиц.

4. Гравитационное - универсальное, присущее всем материальным объектам. Является самым слабым взаимодействием. Поэтому его роль в микромире ничтожна. В космических масштабах ему принадлежит определенная роль. Радиус действия бесконечен.

Главная проблема современной физики - объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля.

В 70-е годы 20 века Вайнберг и Салаам (нобелевская премия) сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействие, создав теорию электрослабых взаимодействий.

Сегодня разрабатывается теория модели для универсального объединения 3 взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное) - так называемое Великое объединение.

Физики допускают, что может быть создана единая теория всех 4 фундаментальных взаимодействий на основе одного фундаментального взаимодействия - суперсилы.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все элементарные частицы разбиваются на 2 больших класса: адроны и лептоны, а также в особый класс выделяются частицы - переносчики взаимодействий.

Адроны - частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии наряду с электромагнитным и слабым: барионы (протон, нейтрон и др.), мезоны (резонанс).

Лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии: электрон, мюон, таумптон, и соответствующие нитрино.

3-й класс - переносчики взаимодействия.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны, сильного взаимодействия - глюоны, слабого взаимодействия - промежуточные базоны, предполагают, что переносчиком гравитационного взаимодействия являются гравитоны.

Итак, строительный материал вещества составляют: адроны и лептоны.

Лептоны - истинно элементарные, т.к. они не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров.

Адроны - более сложные частицы. В 1964 году 2 ученых - Гелман и Цвейг - создали кварковую модель адронов, согласно которой адроны построены из более фундаментальных частиц - кварков. Они имеют дробный заряд и полуцелый спин.

В настоящее время известно 6 типов («ароматов») кварков; дополнительно кварк каждого «аромата» разлагается по «цвету»: красный, желтый, синий.

Итак, атом состоит из электронов (лептоны) и ядра. С точки зрения кварковой модели ядро атома - это уже не просто набор протонов и нейтронов, а совокупность соответствующего числа кварков, связанных между собой, таким образом, истинно элементарными являются лептоны и кварки, хотя гарантии, что они являются последними неделимыми - наука не дает. Поэтому термин «элементарный» имеет относительное значение. Он выражает лишь границы проникновения современной науки в структуру материи, но вовсе не то, что соответствующие частицы являются простейшими и бесструктурными.

6. МЕГАМИР

С точки зрения современной науки, мегамир - взаимодействующая и развивающаяся система всех небесных тел.

Понятие «Вселенная» означает весь существующий материальный мир. Часть Вселенной доступная на данном уровне познания называется Метагалактикой или «нашей Вселенной»

Строение, происхождение, эволюцию Вселенной изучает космология.

Выводы космологии о происхождении эволюции и будущем Вселенной как целого называется космологическими моделями.

7. СОВРЕМЕННЫЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ

Классическая космология исходила из утверждений абсолютности и бесконечности пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной.

Вопрос об эволюции Вселенной в целом не ставился - теория стационарного состояния Вселенной.

В 19 веке классические космологические представления столкнулись с 2-мя парадоксами, связанными с постулатом о бесконечности Вселенной.

1. Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна, то и силы тяготения между телами должны быть бесконечны, что должно привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бы существовать вечно

2. Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба тоже должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

Эти парадоксы - следствия неправомерного распространения законов классической физики на всю Вселенную, поэтому требовалось не уточнение классической физики, а создание новой теории тяготения. Ей стала общая теория относительности Эйнштейна, которая положена в основу современной (релятивистской) космологии, которая пришла на смену классической.

Первую космологическую модель, основанную на новой (релятивистской) теории тяготения в 1619 году предложил сам Эйнштейн - релятивистская стационарная теория. Он отказался от постулатов классической космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени, но сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по его мнению, зависят от распределения гравитационных масс. Вселенная безгранична, но конечна в замкнутом пространстве. Время существования Вселенной - бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца.

Первым от постулата о стационарности Вселенной отказался А. Фридман.

В 1922 году, решая уравнения общей теории относительности, он получил неожиданный результат: Вселенная не стационарна и обладает переменным во времени радиусом кривизны пространства. Он предположил, что мировое пространство аналогично поверхности сферы, радиус которой растет со временем. Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменятся со временем. Расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Вследствие наличия силы тяготения они должны либо удаляться, либо сближаться.

Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Вывод Фридмана о стационарности Вселенной получил подтверждение. В 1925 году американский астроном Хаббл при исследовании спектров далеких галактик обнаружил, что чем больше расстояние до галактики, тем больше величина красного смещения, следовательно, скорости отдаления галактики от нас.

Итак, галактики разбегаются во все стороны от нас, причем скорость разбегания прямо пропорциональна расстоянию, но это на значит, что мы находимся в центре Вселенной. Таким образом, Хаббл своими наблюдениями далеких галактик доказал, что Вселенная расширяется, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной началось с ее возникновения.

8. ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

В 1927 году бельгийский ученый Джордж Леметр предположил возникновение и расширение Вселенной из сверхплотного состояния, представив этот процесс в виде Большого взрыва, а предположение, что первоначальное вещество было сверхплотным и очень горячим, высказал впервые Г.А. Гамов. Согласно представлениям современной космологии Вселенная возникла 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество находилось в состоянии сингулярности (точечности) и сверхплотном состоянии. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. По мере расширения происходило понижение температуры и плотности вещества.

9. ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

1. Адронная эра с момента 10??10 при температуре = 1015 по Кельвину вещество Вселенной состояло из частиц и античастиц, которые, объединяясь в группы, образуют адроны (протоны, нейтроны и др.) на 1 млн. античастиц приходится 1,1 млн. частиц.

Главное событие - аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов и нейтронов, которые послужили материалом, из которого построена вся Вселенная. Продолжительность этой эры - 0,0001 с.

2. Начало синтеза элементов приблизительно через 100 с после начала расширения Вселенной. При температуре 1 млрд. градусов начался ядерный синтез с образованием ядер водорода и гелия.

3. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва при температуре 4000 градусов по Кельвину - этап рекомбинации ядер и электронов с образованием атомов водорода и гелия. Продолжался 700 тыс. лет. В процессе дальнейшего расширения понижалась температура вещества, и излучения в результате излучения отделилось от вещества - Вселенная стала прозрачной.

4. Через 1 млн. лет наступила звездная эра - процесс образования протозвезд и протогалактик, из которых постепенно формировались звезды, галактики и т.д.

Эту модель называют стандартная или горячая Вселенная. Она объясняет происхождение многих свойств Вселенной. Но причины Большого взрыва и расширения в ней лишь постулируется (объяснения не дано).

В конце 20 века была создано гипотеза инфляционной («раздувающейся») Вселенной, которая. Не отменяя основных постулатов, отвечает на ряд вопросов, которые до недавнего времени считались недополненными. В ней описывалась эволюция вселенной на самых ранних стадиях, ее развитие началось с момента 10?43 до 10?35 с, когда она находилась в состоянии ложного вакуума. В основе этой гипотезы представления о существовании силы космических отталкиваний невероятной величины, которая смогла разорвать некоторые материи Вселенной и вызвать ее расширение. Причем Вселенная «раздувалась» со скоростью значительно превосходящей скорость света. Такое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве, а это и есть Большой взрыв.

Считается, что этот период «инфляции» предшествовал Большому взрыву.

10. БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ

Современная космология не может ответить на вопрос будет ли расширение продолжаться или сменится сжатием. Для этого нужно знать величину средней плотности вещества во Вселенной и его отношение с критической плотностью. Если средняя плотность вещества меньше критической, то расширение будет продолжаться неограниченно. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной в отдаленном будущем сменится сжатием.

Согласно современным данным критическая плотность оценивается в 10?26кг/м (в кубе), а значение средней плотности вещества во Вселенной составляет 3*10?27 кг/м (в кубе). Следовательно, Вселенная будет расширяться, но современное состояние наблюдений не дает возможность точного определения средней плотности вещества во Вселенной, т.к. неясна скрытая масса вещества, в состав которой могли бы входить нитрино, черные дыры, несветящиеся звезды и другие типы космических объектов, тогда средняя плотность вещества может оказаться выше критической величины и в отдаленном будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием.

11. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

Систем самого высокого порядка - Метагалактика - это доступное наблюдение части Вселенной, она представляет собой систему взаимодействия скоплений галактик, она имеет сетчатую («ячеистую») структуру, т.е. галактики расположены неравномерно, а именно, они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри - пустота.

Больше всего галактик сосредоточено в узлах (местах пересечения стенок) - насчитываются до 10-ков тысяч отдельных галактик. Но в очень больших масштабах (скопления и сверхскопления галактик) распределение вещества оказывается равномерным, значит если обозревать Вселенную с любой из галактик, то она всюду будет выглядеть практически одинаково.

Скопление галактик - группы галактик, связанных в одну систему, благодаря взаимному гравитационному притяжению, облака скоплений галактик образуют сверхскопления галактик.

Галактики - это гигантские звездные системы, содержащие от нескольких миллионов до многих сотен миллионов звезд, газа, пыли. Они содержат различного рода поля и космические лучи.

По форме различают:

1. эллиптические. Имеют форму кругов или эллипсов с разной степенью сжатия. Количество звезд убывает равномерно от центра.

2. спирали: туманность Андромеды, Млечный путь (наша галактика).

3. неправильные галактики не имеют определенной формы, центральных ядер (Магеллановы облака).

В центрах многих галактик имеется яркое плотное ядро, состоящее в основном из звезд, но в некоторых ядрах наблюдаются активные процессы, связанные с колоссальным выделением энергии. Такие ядра называют радиогалактиками.

В 1963 году обнаружены галактики - источники радиоизлучения, которые назвали квазары, при сравнительно небольших размерах они выделяют колоссальное количество энергии. Это самые удаленные объекты наблюдения во Вселенной. Предполагают, что квазары являются ядрами далеких галактик, находящихся в стадии чрезвычайно сильной активности.

Скопления звезд - это группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое.

Бывают 2-ух типов:

Шаровые - это массивные объекты правильной сферической формы, содержат десятки, сотни тысяч, и иногда, и миллионы звезд. Это самые старые звезды в галактике - 12-14 млн. лет.

Рассеянные - не имеют правильной формы. Содержат десятки, сотни наиболее крупных тысяч звезд.

Звезды - это громадные раскаленные светящиеся газовые шары - водородно-гелиевые.

В них протекают ядерные реакции и за счет этого звезды постоянно излучают энергию, звезды имеют разную величину - гиганты и сверхгиганты, звезды-карлики. Звезды обладают различными температурами. Соответственно различен цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды - красноватые, а самые горячие - голубоватые, белые.

Большинство звезд в галактике расположены подобно нашей солнечной системе. Звезды возникли из газово-пылевых облаков. Они проходят различные эволюционные циклы жизни и в конечные стадии своей эволюции превращаются в белые, затем в черные карлики, затем в черные дыры и т.д.

12. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА

В истории науки существовали различные концепции пространства и времени. Их можно разделить на 2:

1. Субстанциональные (Демокрит, Ньютон). Пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, независящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов. Ньютон вводит понятие «абсолютное пространство» и «абсолютное время».

2. Реляционная. Отрицала существование пространства и времени, как абсолютных сущностей. Пространство и время - это особые отношения между объектами и отдельно от них не существуют. Лейбниц считал, что время - это порядок последовательности событий, а пространство - порядок сосуществования тел. Реляционная концепция сложилась после создания теории относительности и неевклидовой геометрии.

Тема 5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Релятивистская теория создана в 1905 году. В основу этой теории Эйнштейн положил 2 постулата:

1. Принцип относительности (сначала Галилей относительно к механическим процессам). Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы (движущиеся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) равноправны между собой в отношении описания взаимодействий.

Эйнштейн сформулировал обобщенный принцип относительности: в отношении электромагнитных явлений все инерциальные системы координат совершенно равноправны.

2. Принцип постоянства скорости света в вакууме: скорость света в вакууме не зависит от источника движения света или наблюдателя, одинаково во всех системах отсчета и является предельной скоростью распространения.

Постулаты специальной теории относительности находятся в очевидном противоречии с теми представлениями о пространстве и времени, которые сложились в механике Ньютона. В классической механике считалась очевидной абсолютность одновременных событий, происходящих и в одной и в разных точках пространства.

В специальной теории относительности одновременность 2-ух событий, происходящих в разных точках пространства относительна: события одновременные в одной инерциальной системе отсчета не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.

Следствием этого вывода стало признание относительности измерения размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями или с разными скоростями должна быть различна, то же самое относится и ко времени, а именно время протекания процесса будет различным, если измерять его с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, размеры тел сокращаются.

Вывод: Таким образом, специальная теория относительности установила неразрывную связь между пространством и временем - то есть изменение временных свойств и процессов всегда связано с изменением их пространственных свойств.

Подчеркивая эту связь, немецкий ученый Минковский ввел понятие «пространственно-временного континуума» или «четырехмерного пространства», в котором 3 измерения характеризуют положение, занимаемое предметом в пространстве. 4-ое пространство - это время, когда событие совершается.

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В общей теории относительности было установлено, что метрические свойства зависят от силы гравитационного поля.

Массы вещества создают особое поле тяготения на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности.

Вывод: В зависимости от гравитационных масс время замедляется или ускоряется, а пространство искривляется.

Неевклидова геометрия - геометрия искривленного пространства, например, в геометрии Евклида (на плоскости) предполагается, что сумма углов треугольника составляет 1800 , поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхности седла - отрицательной кривизны.

4-хмерное пространство Римана оказалось адекватным явлению гравитации.

С точки зрения общей теории относительности величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны, таким образом, движение материальной точки в поле тяготения осуществляется непрямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Вывод общей теории относительности: общая теория относительности доказала связь пространства и времени с движущейся материей.

3. ФИЛОСОФСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. Исключила из науки понятия абсолютного пространства и времени, как самостоятельных независимых от материи форм существования.

2. Показала зависимость пространственно-временных форм от характера движения и взаимодействия материальных систем, доказав тем самым, что пространство и время - основные формы существования материи.

Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сути теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли и пространство, и время».

4. СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Пространство - форма существования материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Время - форма существования материи, характеризующая длительность существования всех объектов и последовательность смены состояний всех материальных систем.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА:

1. Объективность пространства и времени заключается в том, что они существуют независимо от сознания.

2. Всеобщность характеризуется тем, что нет и не может быть ни одного события, явления, которые существовали вне пространства и времени.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА:

1. трехмерность;

2. однородность заключается в равноправии всех точек пространства, отсутствия в нем каких-либо выделенных точек.

3. Изотропность - равноправие всех возможных направлений.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВРЕМЕНИ:

1. Одномерность. Положение объекта во времени описывается одной величиной.

2. Необратимость, т.е. однонаправленность. Время течет из прошлого, через настоящее, в будущее.

3. Однородность заключается в равноправии его моментов. Не существует преимущественной точки отсчета любую можно принимать за начальную.

5. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИКИ

1. Предмет, структура и этапы развития биологии как науки.

Биология - наука о живом, строении и функционировании живых существ и их сообществ, распространении, происхождении и развитии живых организмов, связи их друг с другом и с неживой природой.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ:

Первые систематические попытки описания животных и растений, сведения об анатомии, физиологии человека и животных сделали мыслители античности (Гиппократ, Аристотель, Голен и др.), но самостоятельной наукой биология стала в 18-19 веках.

1. традиционная - зачатки классификации растительного и животного мира (Бюффон, Линней и др.).

2. эволюционная - утверждение развития.

3. молекулярно-генетическая биология (Мендель).

Биология представляет собой комплекс наук о живой природе. В зависимости от предмета изучения в биологии выделяются микробиология, ботаника, зоология и т.д.

По уровню организации живых объектов выделяют 3 уровня:

1. уровень биологических организмов (морфология, физиология, эмбриология)

2. суборганизменный уровень - исследования организмов на молекулярном уровне: генетика (о наследственности), цитология (строение живых клеток), молекулярная биология изучает микроструктуру живых тканей.

3. уровень надорганизменных образований. Сложно взаимодействующие между собой и окружающей средой (экология - связь живого с окружающей средой, биография, биоценология, др.)

Итак, объектом изучения в биологии является живое.

СВОЙСТВА ЖИВОГО:

1. живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

2. раздражимость - способность живых организмов целесообразно отвечать на воздействия среды.

3. обмен с окружающей средой энергией и веществом, в результате чего поддерживается уровень упорядоченности организма и его частей, т.е. это открытые системы (см. синергетику).

4. способность к росту, развитию и усложнению, причем развитие живого представлено как индивидуальным развитием (онтогенез), так и историческим, сопровождающимся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни (филогенез).

5. способность к самовоспроизведению, размножению, основано на способности молекул ДНК передавать потомкам наследственную информацию о признаках, свойствах и функциях организма.

6. способность к саморегуляции. Живые организмы способны приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям среды и интенсивности течения физиологических процессов.

7. все живые организмы устроены из биополимеров - высокомолекулярных природных соединений (белков, нуклеиновых кислот и др.), участвующих во всех процессах жизнедеятельности организма.

Из совокупности этих признаков можно дать следующее определение жизни:

Жизнь - есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению, построенных из биополимеров (белков, нуклеиновых кислот).

6. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Мир живого есть совокупность живых систем различной степени сложности и организации. По этому критерию выделяют следующие уровни организации живых систем:

1. молекулярный. Представлен белками и нуклеиновыми кислотами, которые лишь в своей совокупности несут отдельные признаки жизни. Таким образом, живой является не отдельная молекула ДНК, РНК или белка, а их система в целом.

2. клеточный уровень. Представляет собой сложную целостную систему, компонентом которой являются молекулярные образования.

3. органно-ткакневый. Ткань - совокупность сходных по строению клеток, выполняющих общие функции. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы.

4. организменный. Представлен организмом как целостной системой взаимодействия его компонентов, выполняющих специфические функции.

5. популяционно-видовой - сообщество особей одного вида, которое связаны между собой общим местом обитания и генофондом, скрещиваются и воспроизводят себя в потомстве.

6. биоценозы - комплекс живых и неживых компонентов, занимающих определенную территорию - экосистема.

7. биосфера - совокупность всех живых организмов планеты вместе с окружающей средой.

7. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

1. Долгое время существовало представление о возможности зарождения живого из неживого: креационизм (божественное происхождение жизни, в результате акта божественного творения).

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Но в 60-е годы 19-го века Луи Пастор своими опытами доказал невозможность спонтанного самозарождения простейших организмов. После этого появляются теории вечности жизни: в частности, концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.

3. Концепция панспермии - внеземное происхождение жизни - зародыши живых организмов занесены на Землю из космоса метеоритами и космической пылью - Рихтер. В 20 веке идею космического происхождения живого на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал Вернадский.

4. Биохимические концепции происхождения живого. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин. В результате длительной эволюции - химической, а затем биохимической, зародилось живое. В основе этой концепции гипотеза Опарина

Возраст Земли - 5-6 млрд. лет. Жизнь существует на Земле 3,5 млрд. лет.

8. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

1. Образование простых органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету (4 000 - 8 000 градусов). Но по мере ее остывания тяжелые химические элементы перемещались к центру, и впоследствии образовали земную кору, а легкие элементы (кислород, водород, углерод, азот) скапливались на поверхности и стали взаимодействовать друг с другом. Когда температура поверхности Земли приблизилась к 1000С, произошло сгущение водяных паров и образование больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности и из внутренних слоев Земли на поверхность выносились различные карбиды (металл + углерод). Они смывались в первичный бульон, где вступали во взаимодействие с водой. В результате образовались различные углеводородные соединения.

2. Возникновение сложных органических соединений. На этом этапе, благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, ультрафиолетовому излучению простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались белки, нуклеиновые кислоты, жиры, аминокислоты, углеводы. Одним из условий для синтеза биополимеров было отсутствие в первичной атмосфере кислорода, так как органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. Согласно гипотезе Опарина разрозненные соединения смешивались с образованием коацевратных капель, по мнению Опарина коацерваты являются предшественниками клеток. Коацерваты обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами (первоначальный обмен веществ, увеличение в размере и др.).

3. Возникновение простейших форм живого. Завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению со стороны частей, переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора выживали те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. На этом этапе завершился процесс добиологической эволюции и начался период биологической эволюции.

Эта концепция происхождения жизни не является единственно возможной и нуждается в экспериментальном подтверждении.

Слабость гипотезы состоит в нерешенности главного вопроса всей проблемы - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической. Какова причина того таинственного толчка от неживой к живой природе? Ни одна из существующих гипотез не может объяснить возникновения механизма наследственности. Сегодня для объяснения перехода от предбиологической эволюции к биологической используется теория самоорганизации (синергетика), законы которой позволяют объяснить спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

9. ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИКИ

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов и способы управления ими.

1900 год - переоткрытие законов Менделя. Возникновение генетики связано с открытием в 1865 году законов наследственности Менделем. Но работы Менделя были незамечены. В 1900 году законы Менделя были открыты независимо 3-мя учеными (Де Фриз, Чермак, Корренс).

В 20 веке последовал целый ряд открытий, а именно, в 1912 году Морган разработал хромосомную теорию наследственности, в 1944 году американские биохимики Эвери и компания установили, что носителем наследственной информации является ДНК, в 1953 году расшифровано строение ДНК, которая показала, что молекула состоит из 2-ух полинуклеидных цепей, каждая из которой выступает в качестве матрицы для синтеза новых цепей. В последние десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т.д.

В конце 2000 года расшифрован геном человека. Геном - совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. Геном человека содержит около 100 тыс. генов, содержащих около 3 млрд. единиц информации.

Это дало понимание причин и механизмов болезней и позволит выработать эффективные методы их лечения.

Но для того, чтобы установить функции всех генов нужно много времени.

Крупнейшее открытие современной генетики связано с установлением способностей генов.

Мутации - скачкообразные и устойчивые изменения генетического материала, передающегося по наследству.

По изменению генетического материала мутации подразделяются на:

1. Геномные - изменение числа хромосом. Потеря любой из 46 хромосом или добавление лишней ведет к тяжелым расстройствам развития. Например, лишняя хромосома в 21 паре приводит к болезни Дауна.

2. Хромосомные. Связаны с изменением структуры в зародышевых клетках ребенка.

3. Генные мутации связаны с изменением молекулярной структуры ДНК.

Мутации могут быть вредными, нейтральными и гораздо реже - полезными (повышение приспособляемости к жизни).

Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными: радиация, химические изменения, изменение температур, вирусы, бактерии.

10. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Возникла в 70-80 годы 20 века. Генная инженерия - раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным конструированием новых несуществующих в природе сочетаний генов.

ЗАДАЧИ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ: расшифровка структуры генов, синтез генов биохимическим путем, клонирование генов, перенос выделенных или вновь синтезированных генов из одной клетки или организма в другую с целью направленного изменения их наследственных свойств, т.е. управление наследственностью. Путем вмешательства человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены свойства десятков животных и растений с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения пород скота.

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ: в медицине1. связано с диагностикой заболеваний - разработаны диагностические препараты, позволяющие обнаружить генетические аномалии в период беременности. 2. лечение заболеваний. Разрабатываются методы лечения наследственных болезней путем введения генов с правильной информацией в клетки, содержащие дефектные гены или добавлением новых генов, в которых имеются вещества для борьбы с болезнью (генотерапия).

3.Профилактика. Одним из перспективных направлений генной инженерии является культивирование генов больных и здоровых людей в клетках других живых организмов с целью изучения молекулярных основ наследственных заболеваний человека.

Клонирование - процесс, в ходе которого живое существо производится от единственной клетки, взятой от другого живого существа.

Генная инженерия лежит в основе современной биотехнологии.

ПРИМЕНЕНИЕ: в медицине и фармацевтике (гормон роста, интерферон, клонирован ген инсулина, нейропиптиды - белки головного мозга, регулирующие такие биологические процессы как сон, память, боль ит.д.), получение пищевых продуктов из трансгенных растений (генетически измененные с заданными параметрами).

С 1996 года выращивают трансгенную картошку, кукурузу, сою, однако, далеко не все ученые уверены в их безопасности.

Страницы: 1, 2