Концепции современного естествознания

Французский физиолог Франсуа Мажанди (1783-1855) впервые показал огромное значение белка в жизни организмов (кормил собак пищей, в которой отсутствовал белок: сахар, оливковое масло и вода).

Немецкий химик Юстус Либих (1803-1873) детально разработал учение о полноценности пищи и полагал, что углеводы и жиры служат топливом для организма. Возник вопрос: равно ли количественно тепло, полученной организмом от такого “топлива”, теплу, получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма.

Макс Рубнер (1854-1932) экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организму животного. К 1894 году он установил, что энергия, выделяемая пищевыми продуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить при сжигании этих продуктов вне организма.

Эти исследования нанесли серьезный удар по витализму. Еще в XVIII веке химики обнаружили, что реакцию иногда можно ускорить введением веществ, которые, по всей видимости, не принимают в ней участия. Это явление в 1835 году Берцелиус назвал катализом.

Казалось вероятным, что химические процессы в живых тканях могут протекать при очень мягких условиях, потому что в тканях присутствуют различные катализаторы, которых не существует в неживой природе.

В 1833 году французский химик Ансельм Пэйян (1795-1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое расщепляло крахмал до сахара. Он назвал это вещество диастазой. Диастаза и другие подобные вещества были названы ферментами. Во второй половине XIX века стало ясно, что ферменты являются катализаторами.

В 1897 году немецкий химик Эдуард Бухнер (1860-1917) доказал, что ферменты могут с успехом действовать и вне клеток. Это было серьезным ударом по витализму, однако это не было его окончательным разгромом. Предстояло еще многое узнать о молекулах белка.

На протяжении прошлого столетия ферменты считались таинственными веществами, которые выявлялись лишь по их действию. В 1926 году американский биохимик Джеймс Самнер (1887-1955) выделил фермент, катализирующий реакцию расщепления мочевины на аммиак и углекислый газ (уреазу) и доказал его белковую природу. В 1930-1935 годах подобные работы были проделаны в отношении пепсина (желудок), трипсина и химотрипсина (поджелудочная железа).

Особенно значительный вклад в изучение белков внесли шведский химик Теодор Сведберг, американский химик Лайнус Полинг, английские биохимики Макс Фердинанд Перутц, Джон Каудери Кэндрю, Фредерик Сэнгер.

К середине XX века секреты молекулы белка были раскрыты. Но вдруг оказалось, что химическая основа жизни вовсе не белок, а другое вещество. В 1944 году американский бактериолог Освальд Теодор Эвери с сотрудниками доказал, что генетической функцией обладают не белки, а нуклеиновые кислоты. С этого момента началось энергичное изучение нуклеиновых кислот. В 1953 году структура молекул нуклеиновых кислот была расшифрована (работа английского биохимика Фрэнсиса Крика и американского биохимика Джеймса Уотсона).

Открытие Крика и Уотсона положило начало бурному развитию молекулярной биологии, или, как ее теперь чаще называют, физико-химической биологии. К главным достижениям этой науки относятся расшифровка генетического кода и открытие механизмов биосинтеза белка, искусственный синтез гена и пересадка генов. В результате родилась генетическая инженерия, успехи которой вызывают как надежды на управление наследственностью, так и опасения, связанные с возможностью создания особо опасного биологического оружия.

Перед человечеством встали очень серьезные проблемы, порожденные самим прогрессом, решение которых невозможно только в рамках естественно-научной культуры. Решение этих проблем предполагает не только объединение усилий естественников и гуманитариев, но и переход в состояние новой единой культуры.

Тем не менее, естествознание продолжает решать свои сложные проблемы, от которых зависит судьба цивилизации.

Физика, пытаясь познать строение вещества, открывает все новые тайны микромира, ищет новые источники и новые способы получения энергии, изучает природу гравитации и пытается построить единую теорию поля. Она изучает свойства и поведение вещества при сверхнизких и свехвысоких температурах и давлениях.

Химия дарит человеку все новые искусственные материалы, полимеры, препараты.

Биология раскрывает молекулярные механизмы метаболизма, иммунитета, памяти, наследственности, механизмы высшей нервной деятельности, поведения.

Науки о Земле заняты проблемами освоения Мирового океана, изучением тектоники плит и предсказанием землетрясений, глобальными климатическими процессами и проблемой прогнозов погоды, решением проблемы падения плодородия почв и судьбами биосферы.

“Космические” проблемы: влияние космических факторов на человека и жизнь вообще, на климат, защита от комет и астероидов, крупных метеоритов, проблема “пришельцев” и внеземной жизни, внеземных цивилизаций, строение и эволюция Вселенной.

1. Введение в философию. В двух частях. М., Изд. полит. лит., 1989

2. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М., Мир, 1994

3. Лазарев В.В. Шеллинг. М., Мысль, 1976

4. Нарский И.С. Кант. М., Мысль, 1976

5. Овсянников М.Ф. Гегель. М., Мысль, 1971

6. Свасьян К.А. Иоганн Вольфганг Гте. М., Мысль, 1989

7. Фролов И.Т. О человеке и гуманизме. Работы разных лет. М., Изд. полит.лит., 1989, 560 с.

Явления и процессы, происходящие с взаимодействующими объектами, протекают в пространстве и времени. Пространство и время обладают определенными свойствами, влияющими на ход физических явлений.

Вселенная Демокрита - Левкиппа состоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц - атомов, отличающихся не качественно (как у Анаксагора), а лишь по своему очертанию, положению и распределению.

Под природой Аристотель понимал совокупность физических тел, состоящих из вещества и находящихся в состоянии непрерывного движения или изменения. Всякое движение протекает во времени и пространстве. Пространство сплошь заполнено материей. Поэтому нет ни пустоты, ни мельчайших неделимых частиц - атомов, которые бесконечно падают в этой пустоте.

Природа Декарта сплошь заполнена материальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального. Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует. Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первоначального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Согласно Ньютону, и пространство, и время абсолютны. Это означает, что пространство, в котором мы живем, может быть уподоблено существующему вечно, неограниченно большому, неподвижному “ящику” без стенок -вместилищу материи. Свойства этого “ящика” не меняются с течением времени и не зависят от того, как в нем распределено и перемещается вещество. Время во всех точках пространства текло и течет одинаково, т.е., в какие бы области пространства мы ни помещали часы, время они будут отсчитывать с одной и той же скоростью. Распределение вещества в таком неизменном пространстве и его движение определяются действием закона всемирного тяготения. Согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Поскольку время во всех областях пространства течет одинаково, а само пространство неизменно, то с помощью закона всемирного тяготения всегда можно рассчитать положение и движения небесных тел и друг относительно друга, и относительно “ящика” - абсолютного пространства.

В математике свойства какого-либо пространства, или, как говорят, его метрика, определяются видом той линии, которая кратчайшим образом соединяет две произвольные точки в нем. Как известно из повседневного опыта, в пространстве, в котором мы живем, кратчайшее расстояние между двумя точками есть прямая линия. Такое пространство называется евклидовым - по имени древнегреческого математика Евклида, который первым рассмотрел его свойства.

Ньютоновские представления о пространстве и времени верны лишь в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркам промежутков времени. Они перестают соответствовать действительности только тогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом, а также в сильных полях тяготения.

В 1916 г. А.Эйнштейн создал общую теорию относительности, которую часто называют современной теорией гравитационного поля, а также теорией структуры “пространства-времени”. Как оказалось, эти два понятия органически связаны.

Из общей теории относительности следует, что реальное пространство нашей Вселенной неевклидово. Более того, геометрия нашего пространства меняется с течением времени, а само время течет с разной скоростью в разных областях Вселенной.

Согласно этой теории, геометрические свойства пространства, изменение его геометрии со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения вещества - материи. В свою очередь, движение материи и распределение ее в пространстве зависят от его геометрии. Оба процесса взаимосвязаны: распределение и движение материи изменяют геометрию пространства-времени, а изменение геометрии пространства-времени определяет характер распределения и движения в нем материи. Эти процессы самосогласованы. А это означает, что и пространство, и время не абсолютны, а относительны - они проявляют себя по разному в зависимости от конкретных условий.

Согласно общей теории относительности, степень искривления пространства, т.е. степень отклонения его от евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. В этих же условиях время течет медленнее.

Наше пространство является “плоским” в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Евклида. Движение свободного тела в таком пространстве является равномерным и прямолинейным - движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление однородности пространства и времени.

Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т.е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом. (Один и тот же физический эксперимент, поставленный в Москве или в Нью-Йорке, дает одинаковые результаты).

Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. (В свое время Архимед открыл законы плавания тел. В настоящее время каждый из нас может легко их воспроизвести).

Вблизи таких объектов, как, например, черные дыры, пространство может обладать очень сложными геометрическими формами. Огромные массы вещества, содержащиеся в галактиках и их скоплениях, искривляют пространство. Однако кривизна реального пространства Вселенной мало отличается от нуля. Вот почему кратчайшее расстояние между двумя точками в земных условиях и до ближайших звезд нашей Галактики есть все же прямая линия.

Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной приходят другие представления.

Чтобы легче понять, какова модель Вселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному пространству. Представим себе плоское существо, “жука”, живущее на растяжимой поверхности. Бросим на эту поверхность стальной шар, поверхность прогнется, но жук этого не заметит, так как вне этой поверхности для него ничего не существует. Если бросим второй шарик, то он скатится в углубление в первому, а жуку покажется, что второй шарик притянулся к первому.

Эта аналогия позволяет понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является геодезическая кривая. В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой.

Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения - это свободное движение в искривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения.

Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерное пространство (четвертой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближенно евклидовой, или геометрией Лобачевского, или геометрией Римана.

Представления об искривленном пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен (пример с поверхностью шара).

В 1922 году А.А.Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные модели Вселенной: закрытую, подобно поверхности шара, и открытую (расширяющийся цилиндр).

Во времена Аристотеля считалось, что весь материальный мир построен из четырех основных субстанций - земли, воздуха, огня и воды. Это были своего рода “элементарные частицы” природы. В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Это была простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются основными кирпичиками мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Были открыты позитрон и более сотни различных мезонов. Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудный вопрос о том, что лежит в основе строения вещества. И пока еще не удалось найти ключа к решению загадки элементарных частиц.

1. Авакян С.В., Коваленок В.В. Неопознанные явления - “проделки” плазмы?/Природа, 1992, 6

2. В поисках истины (Мигдал)/ Природа, 1992, 4

3. Торн К.С. Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие

4. Эйнштей на/ Природа, 1994, 1, 2, 5, 7, 8, 10, 11

5. Шрейдер Ю.А. Препятствие - логика/ Природа. 1992. 1

Учение о дискретном, корпускулярном строении материи возникло в античной философии (атомистика Левкиппа - Демокрита). Согласно Демокриту материя состоит из атомов, которые есть предел ее физической делимости, а пространство - из амер, которые есть предел математической делимости пространства.

С появлением физики и химии атомистическая гипотеза стала естественнонаучным учением. Атом стал рассматриваться как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Наряду с понятием атома было введено представление о молекуле, которая представляет собой наименьшее количество вещества, вступающее в реакцию.

Применение атомистики позволило решить ряд фундаментальных проблем физики и химии: механизм химических реакций, природа тепловых процессов, статистический характер закона возрастания энтропии и др. М.Планк показал, что процессы поглощения и излучения энергии носят дискретный характер. Эйнштейн теоретически обосновал идею дискретности электромагнитного поля. Согласно квантовой теории любое физическое поле имеет дискретную природу.

Дискретность проявляется и в макромире, где существуют обособленные друг от друга клетки, многоклеточные организмы, виды, экосистемы.

Состояние системы - физическая характеристика системы, определяемая значениями характерных для системы физических величин.

Состояние материальной точки в механике определяется заданием координат и скорости. Закон движения m*Dv/Dt=F связывает ее состояния в различные моменты времени. Если известны начальные координаты и скорость точки, а также силы как функции координат, то тем самым полностью определяется все последующее движение материальной точки. Задав любой момент времени из приведенной формулы можно определить координаты и скорость точки в этот момент.

Для количественного изучения движения любых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета понимают систему координат и часы, связанные с телом отсчета.

В качестве системы координат пользуются прямоугольной декартовой системой. В качестве часов используется любой периодический процесс, который осуществляется в природе.

Если в качестве тела отсчета берут свободно движущееся тело, то система отсчета называется инерциальной. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции. Нет критерия, по которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными.

Какое бы физическое явление ни рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка закона природы должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называют принципом относительности.

Если известно положение материальной точки в одной инерциальной системе отсчета, то можно определить ее положение в другой инерциальной системе, используя преобразования Галилея:

x = x' + Vt,

t = t'

Второе равенство выражает абсолютность времени, т.е. его независимость от выбора инерциальной системы отсчета.

Равенства

Dx = Dx'

Dt = Dt'

выражают независимость длин и промежутков времени от выбора инерциальных систем отсчета. Другими словами, размеры тел и ход времени не зависят от того, что эти тела находятся в состоянии движения.

Из равенства

v = v' + V

следует, что скорость есть понятие относительное; ее значение зависит от выбора системы отсчета. В частности, если в некоторой системе отсчета тело покоится, то относительно всех других оно движется с той или иной постоянной скоростью. Если положить v'=0, то v = V.

Равенство

Dv/Dt=Dv'/Dt'

означает, что ускорения тел во всех инерциальных системах одинаковы.

В 1905 году Эйнштейном опубликована специальная теория относительности. Два основных постулата отличают специальную теорию относительности от классической физики:

1) обобщенный принцип относительности, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы;

2) предельная скорость распространения взаимодействий совпадает со скоростью света в вакууме (Ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий, передача сигналов, информации с бесконечной скоростью).

Преобразования Лоренца учитывают существование предельной скорости, но содержат преобразования Галилея как предельный случай, когда скорости v<c.

С точки зрения движущихся систем отсчета размеры тел или расстояния между двумя точками в пространстве уменьшаются.

Темп времени у движущихся часов замедляется. Преобразования Лоренца имеют в современной физике фундаментальное значение. Механику, учитывающую наличие предельной скорости c, называют релятивистской.

Два следствия из СТО: 1 - одновременность двух событий относительна. Если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.

2 - тело с массой покоя m обладает энергией . Она может выделяться, если уменьшить массу тела. Она и выделяется: чуть-чуть при химических реакциях и в миллионы раз интенсивнее при ядерных реакциях.

В классической физике принцип относительности утверждался только для законов механики. В специальной теории относительности он провозглашен как общий закон природы. Согласно ему законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.

Законы динамики и детерминизм Лапласа. В 1687 году Исаак Ньютон издал свою важнейшую работу “Начала”. Ньютон не изобрел динамику; напротив, он максимально использовал работы предшественников, особенно детальные эксперименты и рассуждения Галилея. Величайшей заслугой Ньютона было полное описание динамики движущихся тел.

Первый закон Ньютона или закон инерции: если действующая на тело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и тело движется с постоянной скоростью.

Fрез=0 ? a = 0, или v = const.

Таким образом, если к телу, находящемуся в состоянии покоя, не приложено никаких сил, оно продолжает оставаться в состоянии покоя; если тело движется, оно сохраняет постоянную скорость.

Второй закон Ньютона: Ускоренное движение тела может быть вызвано только силой, приложенной к этому телу. Ускорение пропорционально действующей на тело силе, причем коэффициент пропорциональности характеризует инерцию, или массу тела, т.е. F=ma.

Третий закон Ньютона: если тело 1 действует на тело 2 с какой-либо силой, то тело 2 действует на тело 1 с равной противоположно направленной силой. Таким образом, любая сила всегда встречается в паре с равной по величине противодействующей силой, т.е. F12 = -F21. Это соотношение позволяет нам, по крайней мере в принципе, дать точное определение массы.

Третий закон выполняется приближенно, но с очень высокой степенью точности, если взаимодействующие тела расположены так близко друг к другу, что воздействие передается за время, практически равное нулю.

Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.

Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19