КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯspros.tamb.ru/kce_g.pdf ·...

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Проскурин Сергей Геннадьевич к.ф-м.н, доцент

2012

Проскурин С.Г. КСЕ

1

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются вопросы современного естествознания,

которые студентам гуманитарных специальностей понимать сложнее. Особое

внимание уделяется расшифровке слов иностранного происхождения, часто

используемых в качестве научной терминологии. В большинстве глав, наряду с

общепринятыми концепциями традиционно излагаемыми в учебниках,

рассматриваются и результаты научных исследований последнего десятилетия.

Предмет представлен на стыке естественных наук (астрономия, физика,

химия, биология...) и философии науки. Естественнонаучный подход отделяется

от гуманитарного подхода и от других сфер человеческой культуры (религия,

искусство, политика, идеология).

Данная работа является изложением читаемого курса лекций «Концепции

современного естествознания». Некоторые необходимые рисунки не приведены,

они даются на лекциях и семинарах. Иллюстрации взяты на веб-сайтах

журналов «В мире науки» и «Наука и жизнь», а также из энциклопедий:

«Большая советская энциклопедия», «Энциклопедия Брокгауза и Эфрона»,

«Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия», «Wikipedia», «Nationmaster»,

«Britannica».

Слова выделенные курсивом подробно рассмотрены в приложении к курсу –

Глоссарии.


2

СОДЕРЖАНИЕ

1. Предисловие

2. Предмет курса

3. Религия, искусство, философия, наука

4. Астрономия, первая и вторая научные революции

Первая научная революция

Начало современной астрономии

Закон всемирного тяготения

Законы Ньютона

Вторая научная революция.

Построение эксперимента

Современная астрономия

5. Термодинамика

Движение тепла

Классическая термодинамика

Первое начало

Коэффициент полезного действия

Второе начало термодинамики

Третье начало

Современная термодинамика

Кризис классического естествознания

6. Электричество и магнетизм

Электрический заряд

Электромагнитное поле

Уравнения Максвелла

Электромагнитное излучение

Энергия кванта

7. Химия

Роберт Бойль

Кислород

Атомы и молекулы

Соединения переменного состава

Синтез органических веществ

Структура вещества, химические системы

Таблица Менделеева

Электрохимия

Искусственные полимеры

8. Физика микромира

Структурные уровни материи

Третья научная революция

Принцип неопределѐнности

Волновая механика


3

9. Теория относительности

Преобразования Лоренца

Специальная теория относительности

Современное представление о массе

Причинно-следственная связь

Общая теория относительности

Термодинамика чѐрных дыр

10. Физика атомного ядра

Неизвестное излучение

Типы радиоактивного излучения

Ядерный распад

Биологическое действие радиоактивности

11. Происхождение жизни

Процессы самоорганизация

Вирусы

Концепции возникновения жизни

Химическое состав живых систем

Условия возникновения жизни

Возникновение органических молекул во Вселенной

Нуклеиновые и аминокислоты

Возникновение клетки

Хемосинтез

Отличия живых систем от неживых

12. Эволюция видов и происхождение человека

Человек разумный

Археологические находки

Вымирание динозавров

Появление обезьян

Коэволюция

Хоббиты

13. Литература

Учебники

Дополнительная литература

14. Вопросы к зачѐту

15. Темы рефератов

16. Глоссарий


4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука является относительно новой сферой человеческой деятельности.

Традиционно считается, что наука, в еѐ современном понимании, возникла в

Европе в XVI – XVII веках нашей эры. Однако в течении последних трѐх,

четырѐх десятилетий историки и философы науки находят больше, и больше

доказательств о вкладе Древней Индии, Древнего Китая, Арабских стран в

развитие и становление европейской науки. Стоит только упомянуть

изобретение компаса, бумаги, пороха и фарфора в Китае, открытия арабских

астрономов и арабские цифры, которые мы с вами обычно используем.

Все эти ставшие привычными вещи не рождались сами по себе, а являются

результатом труда конкретных людей, а чаще результатом группы людей. Даже

если в истории какого-либо открытия мы находим одно или два имени авторов,

то надо понимать, что как правило за этим стоит работа целой группы

исследователей. Говоря современным языком, научные и научно-технические

достижения, как правило, являются результатом коллективного творчества.

Например, метод наименьших квадратов (МНК) в 1805-1806 предложил и

применил известный французский математик Адриен Лежандр (1752-1833),

далее этот метод исследовал и развивал известный немецкий математик Карл

Гаусс (1777-1855). Однако, мало кто знает, что в современном виде этот метод

используется в трактовке, которую дали российские математики, Андрей

Андреевич Марков (1856-1922) и Андрей Николаевич Колмогоров (1903-1987).

Именно эти математики дали строгое математическое обоснование с чѐтко

определѐнными границами применимости. Заметим, что ни один учебник не

даѐт авторства этого метода.

Вернѐмся к арабским цифрам, на самом деле эти цифр впервые встречаются

в Древней Индии, они были найдены археологами на древних глиняных

черепках, датируемых 2-3 веком до нашей эры. Семью веками позже через

арабский мир, через Северную Африку, Венецию, Италию и Испанию, эти

цифры пришли в Европу. Именно поэтому мы и называем их арабскими.

Естественно эти цифры были придуманы и записывались определѐнными

людьми, тем не менее их имена истории неизвестны.

Заметим, что сравнить арабские и римские цифры то можно обнаружить, что

первой арабской цифрой является «ноль», а первой римской «единица». «Ноль»

имеет важный мировоззренческий и математический смысл, это некоторая

несуществующая абстракция. На индийских черепках она обозначающаяся

кружочком, обозначающим отсутствие исчисляемых предметов. В римских

цифрах вообще нет нуля, такой «абстракции» в Древнем Риме не придумали. На

самом деле римские цифры являются комбинациями букв латинского алфавита:

I = 1, V = 5, X = 10, C = 100, L = 50, D = 500, М = 1000. В Средние века (V в. –

1640 г.) при развитии торговли обнаружилось, что их очень сложно складывать,

вычитать, делить и умножать. Арабские цифры более удобны для этой цели и

их стали повсеместно использовать. Они стали популярными вошли в культуру

и, можно сказать, помогли развитию не только математики и естественных

наук, но и общечеловеческой культуры в целом.

Отметим, что до наших дней в Индии сохранились сильные математические

и шахматные школы. С недавнего времени в Индии развивается сильная школа

программистов, которая смело конкурирует с ведущими в этой области

школами из США и России.


5

Известно, что на рисунках итальянского художника и инженера Леонардо да

Винчи (1452-1519) было изображено очень много современного. В замке

Виндзор, официальной резиденции королевы Великобритании Елизаветы II, для

публичного показа выставлены рисунки Леонардо.

Один из них (1511 г.) изображает разрез живота

беременной женщины. Он выглядят довольно

современно, с прорисовкой многих деталей

человеческого плода. Сопоставим это с жѐсткими

законами Католической Церкви и инквизиции (XIII-

XIX вв.), которая господствовала в это время.

В 1233 г. Папа Григорий IX обратился к

странствующим монахам Доминиканцам и приказал им

служить делу инквизиции. 20 апреля 1233 г. он написал

буллу в которой приказал Доминиканцам искоренить

ересь приходящую из Франции. Так родилась

инквизиция. Для борьбы с еретиками протестантами

(кальвинисты, лютеране) в 1542 г. Папа Пий V учредил Римскую святую

инквизицию (Святую палату, находиться во дворце Святой палаты). Ключевую

роль играли Джулио Антонио Сантори и кардинал Роберт Белармин. Последний

был очень популярен и сегодня почитается как святой. Именно они подписали

приговор (auto-da-fe) Джордано Бруно (до сих пор не реабилитирован). Обычно

те кто возглавлял инквизицию становились Папами.

В 1478 г. в Испании король Фердинанд и королева Изабелла решили создать

монотеистическое (католическое) государство и изгнать мусульман (арабов) и

иудеев (евреев). Папа Римский Сикстус IV их поддержал, и 1 ноября 1478 г. он

выпустил буллу об учреждении Испанской инквизиции.

Говоря о современном естествознании, нельзя не сказать и о современной

инквизиции. В 1965 г. накануне закрытия 2-го всемирного Ватиканского собора

Папа Павел VI объявил о конце четырѐхсотлетней инквизиции. Абсолютная

власть инквизиции упразднялась и еѐ имя изменялось на новое – «Конгрегация

доктрины веры», она находится там же, во дворце Святой палаты, где

проходили все суды и выносились все приговоры. Статус Святой палаты был

снижен до положения обычной конгрегации (лат. congregatio – соединение).

В 1981 г. Папа Ионан Павел II назначает нового главу Святой палаты. Им

стал самый молодой профессор теологии Кардинал Йозеф Ратцингер (р.1927). В

1998 г. именно он открыл архивы инквизиции для исследователей (все, но

только до 1903 г.). До этого архивы были засекречены и недоступны никому вне

Ватикана.

Руководство Конгрегации доктрины веры, под руководством кардинала

Ратцингера, разделена на 4-е отдела. Первый – следит за чистотой католической

веры (доктрины); второй – заведует наказаниями за моральные разложения

(плотские грехи) среди духовенства; третий – занимается делами брака и семьи;

четвѐртый – исследует проявления сверхъестественного (чудеса). Католической

церкви важно отделить явления природы, которые признаны церковью

чудесами, от тех которые признаны только народом, и потому считаются

еретическими предрассудками или суеверием.

По всем этим четырѐм направлениям во дворце Святой палаты и сегодня

ведутся дела и выносятся приговоры. Священников и теологов отлучают от


6

церкви, и вносят их книги в «список запрещѐнных книг» (Index Librorum

Prohibitorum).

В 2005 г. после смерти Павла II, Кардинал Ратцингер стал Папой Римский

Бенедиктом XVI, но вернѐмся в XVI век. Всех рисунков приписываемых

Леонардо насчитывается около пяти тысяч, добавьте 7 тыс. страниц

сохранившихся рукописей с его мыслями по вопросам искусства, науки и

техники, не так уж мало для одного человека, и все они хранятся в личном

архиве Королевы Великобритании. Многие из них до сих пор не опубликованы,

и недоступны для исследований, также как и архивы инквизиции. Некоторые

исследователи считают, что надписи на этих рисунках сделаны арабской вязью,

и есть мнение, что Леонардо позаимствовал их из арабских стран, или кто-то

позаимствовал их и приписал Леонардо.

Интересный факт – общеизвестно, что начало современной (Европейской)

анатомии положил бельгийский учѐный Андреас Везалий (1514-1564), который

проводил подробные исследования внутренностей человеческого тела и

органов. В 1538-1543 годы он опубликовал трактат «О строении человеческого

тела» в семи томах, Леонардо да Винчи умер в 1519 г.

Для своей работы Везалий делал вскрытия тел только тех людей, которые

были приговорены к смертной казни. До этого, официально, никакие вскрытия

человека в Европе не проводились, более того это было строжайше запрещено.

За свои работы Везалий сам преследовался Римско-католической церковью.

Труд Везалия считается началом анатомии – науке о строении человеческого

тела.

Попытки подробно исследовать эти вопросы до наших дней наталкиваются

на идеологические препоны, считается что не только наука но и вся

современная цивилизация родилась в Европе в период Возрождения –

Просвещения. На самом деле астрономия долгие столетия развивалась в

арабском мире (территория современных Египета и Аравийского полуострова).

Считается, что бедуины (араб. бадауин. – обитатель пустынь) путешествовали

по ночам, днѐм в пустынях очень жарко, это давало им возможность наблюдать

звѐзды, и они учились находить дорогу ориентируясь по звѐздам.

Астролябия, альмагест, альманах (араб. аль-манах – календарь),

альмукантарат (араб. – малый круг небесной сферы, параллельный горизонту),

алидада (визирное устройство) пришли в Европу в средние века через северную

Африку, Венецию, Испанию. Арабские названия звѐзд Альтаир, Алгол, Алькор,

Альдебаран перешли без изменений во все современные языки. Алкоголь (al-

kuhl – тонкий порошок), алкали (al-qili – щѐлочь, по англ. и нем. alkali, по

франц. alcali) тоже слова арабские. И вещества эти изначально тоже были

придуманы и использовались в а арабском мире задолго до того как были

привезены в средневековую Европу. Алгебра была придумана в арабском мире,

алхимия (al-kīmiyā) тоже арабское слово, «аль» (al) – это артикль и в древнем и

в современном арабском языке. Если его убрать, то останется просто «кемия», а

это есть древнее название Египта.

Интересно, что Европейская химия долгое время развивалась в рамках того,

что называлось алхимия. Основной еѐ целью был поиск «философского камня»

и превращения неблагородных металлов в золото и серебро. Заметим, что

средневековая алхимия работая в этих направлениях, получила много

интересных результатов, которые до используются и в современной химии.

Для получения алкоголя было нужно разработать сложную процедуру

дистилляцию (перегонку). Эта процедура используется в наше время


7

повсеместно, но мало кто восхищается гением арабских учѐных. Важно, что

арабы не пили алкогольные напитки тогда, не пьют их и до сих пор. Алкоголь

использовался для изготовления косметических средств, а пить его начали

только цивилизованные европейцы в период Возрождения (Ренессанса). Потом

его стали использовать для того, чтобы спаивать колонизируемые

«нецивилизованные» народы. Эти народы генетически не были связаны с

Европой, и у них нет специальных ферментов (энзимов) для расщепления

алкоголя. Последнее объясняет быстроту пагубного влияния алкоголя на эти

народы.

Далее мы не будем исследовать вышеперечисленные вопросы. В основном,

мы будем рассматривать концепции господствующие в науке в наши дни, а

также коснѐмся истории науки.


8

ПРЕДМЕТ КУРСА

Естествознание можно определить, отождествляя его с естественными

науками, как совокупность естественных наук – наук о природе, в отличии от

гуманитарных наук – наук об обществе. Всем известен такой предмет как

природоведение («веда» – наука, знание; «ведать» – знать), его вполне можно

было бы использовать вместо термина естествознание.

В литературе можно найти два определения, с двух сторон подчѐркивающих

предмет данного курса и выделяющих естествознание как отдельную

дисциплину:

1. Естествознание – это наука о Природе, взятой как единое целое.

2. Естествознание – это совокупность наук о Природе, рассматриваемых в

единой совокупности.

В соответствии с последним определением мы должны рассматривать

классические науки: физику, химию, биологию, астрономию, геологию, а также

целый ряд смежных, пересекающихся дисциплин: биофизику, биохимию,

физическую химию, химическую физику, биогеохимию, астрофизику,

радиоастрономию и т.п. в единой целостности. В современной науке так и

происходит. Сегодня преобладают междисциплинарные исследования, новые

научные направления возникают всѐ чаще и чаще. Например, недавно возникла

и развивается такая дисциплина как виртуальная археология. Это новое

направление в науке, в рамках которого на основании археологических данных

проводят компьютерное моделирование исторических процессов прошедших

тысячелетий.

Исследователь с физическим образованием начинающий сотрудничать с

биологами и решать биологические проблемы неизбежно привносит свои

методы, которые часто бывают новыми для биологов но являются довольно

тривиальными и стандартными для физиков. На самом деле, «пересечение»

различных научных дисциплин, и научных направлений существует довольно

давно. Говоря современным языком, на стыке наук, или на пересечении

различных исследовательских программ, возникают новые и даже неожиданные

результаты. Это довольно просто объяснить.

Существует такая древняя философская притча: «Один человек тѐмной,

безлунной ночью пошѐл к соседу за свечами, так как у него самого свечи

кончились. Возвращаясь обратно ему на голову упала черепаха и он умер». Как

можно объяснить такое событие. Что это – случайность или закономерность?

Если эту историю оставить так как есть, она обрастѐт множеством неожиданных

подробностей, легенд и будет передаваться из уст в уста и сохраняться в

культуре как легенда. Однако, если подробно исследовать данное событие, то

можно найти, что существовало несколько закономерных последовательностей

событий или закономерных направлений развития, закономерных рядов. Первая

закономерная последовательность состоит в том, что данный человек часто

забывал купить свечи и по вечерам ходил к соседям за ними. Вторая, что ночь

была безлунная, тѐмная и на обратном пути он шѐл с зажжѐнной свечѐй и у него

блестела лысая голова. Третья, что существуют птицы, которые разбивают

морских черепах о камни и едят. Находят эти камни они ночью по

характерному блеску в лунном свете. При пересечении всех этих закономерных

линий, рядов событий, и получается некое новое случайное событие, которое

уже не выглядит так фантастически. Подобным же образом можно объяснить и


9

возникновение нового, часто неочевидного, незакономерного и

непредвиденного в нашей обыденной жизни и в научных исследованиях.

В современной науке существует понятие исследовательская программа, это

есть некоторое направление исследований. Современные научные работники не

пытаются «выдумать чего-нибудь эдакое», не стремятся к чему-либо

интересному и непознанному, не ждут когда им упадѐт на голову яблоко или

присниться нечто новое, а работают в определѐнных направлениях –

исследовательских программах. Подавляющее большинство современные

научных сотрудников, решают чѐтко сформулированные и, часто, простые

задачи в рамках намеченных исследований. Зачастую они и не знают всех

подробностей программ, в которых работают. Современные исследователи

просто решают вполне определѐнную прикладную, практическую, техническую

или технологическую задачу. Иными словами, они исследуют какое-либо

устройство или процесс, зачастую уже существующий, и делают его быстрее,

меньше, надѐжней, дешевле. Сделать, например, современный автомобиль

быстрее, и при этом, дороже не проблема. Сделать ракету быстрее, и при этом,

заложить больший или более дорогой запас топлива тоже есть очевидное

решение. В научном исследовании важно найти такое решение, которые

одновременно будет и быстрее, и дешевле, и надѐжней, и проще. Такие решения

обычно и возникают на стыке различных исследовательских программ они, как

правило, и являются простыми (гениальными) решениями.

Современные исследователи не работаю точно в физике, точно в биологии

или точно в химии. В современной науке, бурно развиваются исследования на

стыке наук и в тех коллективах в которые входят специалисты различных

специальностей. Это объясняется просто, научно-исследовательские

направления пересекаются и возникают интересные теоретические и

неожиданные практические результаты. Следовательно, говоря о современном

естествознании, необходимо подходить к этому вопросу с интегральных,

целостных, холистических позиций (англ. holism – философия целостности) т.е.

рассматривать науку как единое целое.

С исторической точки зрения, необходимо уделять внимание ключевым

открытиям, которые внесли серьѐзный вклад в развитие человечества и

изменили направления развития науки, техники, культуры.

Основной целью данного предмета является понимание современной

научной картины Мира как целостной системы представлений о Природе.

Образованный человек обязан знать общие принципы, свойства и

закономерности, современных естественно-научных законов, концепций,

понятий и принципов.


10

РЕЛИГИЯ, ИСКУССТВО, ФИЛОСОФИЯ, НАУКА

Более общим термином, заменяющим термины «исследование», «изучение»

является термин «освоение действительности». Имеется в виду включение

какого-либо явления, предмета, объекта, опыта в обычную, повседневную

практику человека и человечества. Например специалист по черно-белой

фотографии, или художник по тканям тѐмных оттенков может различить до

нескольких сотен оттенков серого. Это происходит потому, что они

профессионально и каждодневно работают с этими оттенками. Иными словами,

эти оттенки включены в сферу каждодневной практической деятельности этих

специалистов.

Известно, что древние греки имели одно слово для двух различных цветов –

синего и зелѐного. Скорее всего это происходило потому, что долгое время не

было необходимости специально выделять эти цвета. В некоторых современных

языках сохраняется такая же ситуация. Например, в современном японском

языке существует слово, которое читается [аой]: , одновременно

обозначающее и голубой, и зелѐный цвет. Очевидно, что японцы отличали и

отличают эти два цвета, но и в современном японском:

– [ао дзора] значит голубое небо, а

– [ао куса] – зелѐная трава.

Можно предположить, что и на японских островах долгое время не было

практической необходимости различать эти цвета. Видимо каждодневная

практическая деятельность была такова, что не было необходимости различать

траву на фоне неба. Другими словами можно сказать, что не было повода

«умножать сущности без необходимости» – специально выделять эти два цвета

в языке.

Освоение действительности человеком – это более общий термин чем

исследование, изучение, работа, описание. Он означает включение некого

предмета или явления в человеческую практику. Только после этого данный

предмет или явление начинают существовать для культуры данного человека

или сообщества.

Рассмотрим отличия научного подхода к освоению действительности

человеком от подхода религии и искусства.

Искусство, как правило, субъективно, иррационально, эмоционально, не

требует доказательств. Здесь важна красота, чувственность, индивидуальность.

Центральным моментом искусства является создание художественного образа,

как правило красивого художественного образа.

В религиозном подходе на первом месте стоят догматы, а не доказательства,

послушание, а не критика, морально-этические, поведенческие принципы.

Традиционно отрицание других религий. В последнее время на первый план

выходит мирное сосуществование и нерассмотрение (неприятие) других

религий. Центральным моментом религии является вера в сверхъестественные

силы, вера в чудо, вера в Бога (или Богов) вера в загробную жизнь.

В современном научном подходе обязательны критичность,

доказательность, рациональность, эксперимент, повторяемость результатов,

количественные методы оценки, обобщение результатов и создание теории.

Центральным моментом современной науки является формализованная теория,

система уравнений на основе которой можно делать различные выводы,

планировать эксперимент и делать некие, обоснованные данной теорией


11

количественные предсказания. В науке можно выделить следующие парные

категории: систематичность и незавершѐнность, универсальность и

фрагментарность, обезличенность и общезначимой. Эти диалектические пары

необходимо рассматривать в единой связи.

Взаимоотношения науки и философии очень важный, хотя и часто

замалчиваемый вопрос. Учѐные пытаются относиться к философии свысока.

«Физика бойся метафизики» говорил И.Ньютон. Под метафизикой в его время

понималась философия. Мета – то, что лежит за физикой.

Несмотря на то, что философия отвечает на более общий вопрос –

«почему?», а наука на более конкретные вопросы – «как?», «каким образом?»,

существует отдельная дисциплина – философия науки. В англоязычной

литературе еѐ называют позитивизм (см. также неопозитивизм) или позитивная

философия, от слова позитив (positive), т.е. определѐнные, уверенные,

конкретные, убедительные знания.

Неопозитивизм (логический позитивизм) возник в XIX в., но развивался

преимущественно в XX веке. Более подробно этот подход мы рассмотрим

позже, а здесь хотелось бы отметить его известных представителей: Карл

Поппер (1902-1994, род. в Австрии, с 1945 г. в Великобритании), немец Карл

Ясперс (1883-1969), Имре Лакатос (1922-1974, род. в Венгрии, с 1958 г. в

Великобритании), американский историк и философ науки Томас Кун (1922-

1995,), Пол Фейерабенд (1924-1996, род. в Австрии, с 1958 г. в США). Они

внесли существенный вклад в развитие исследование истории и развитие

естественнонаучных методов, философии и методологии науки. Многие

относятся к Венскому философскому кружку (Венский кружок). Неопозитивизм

рассматривает научное исследование как предмет своего философского

исследования.

Отметим, что основоположник неопозитивизма Карл Раймунд Поппер

(1902-1994) начиная свой курс лекций по философии науки говорил, что он не

может сформулировать предмет своего исследования, так как у него нет

предмета. Его выводом было – наука это то чем занимаются учѐные, а учѐные

это люди, которые занимаются наукой и относят себя к научному сообществу.

Нечто похожее мы можем сказать и о религии, и об искусстве, и о философии, и

о политике и о многих других областях человеческой деятельности. На самом

деле наука, искусство, философия, политика зарождались и долгое время

развивались в рамках религиозных верований, в рамках церкви. Если говорить о

Европе то это происходило в рамках Христианства.

Подчеркнѐм ещѐ раз, науке присущи: объективность, универсальность,

рациональность (лат. rationalis – разумный, ratio – разум), критичность,

количественные оценки, повторяемость результатов. Прикладные и технические

науки рассматриваются в качестве неотъемлемой части науки. Надо отметить,

что нельзя провести чѐткой грани между фундаментальной и прикладной

наукой.

Искусству присущи: субъективность, эмоциональность, индивидуальность.

Религии –мораль, этика, вера в Бога и в загробную жизнь.

Скажем несколько слов о средневековой науке. До последнего времени

считалось, что в средние века (X - XIV вв.) процветала лженаучная химия и

медицина. Церковь притесняла науку и считала, что Земля плоская.

Исследования последних лет показали, что многие монахи делали научные


12

(даже в современном понимании) эксперименты. Их проводили в монастырях и

даже с благословления церкви. Архитектура рассматривалась как своего рода

экспериментирование в постройке более и более высоких зданий церквей.

Многие высокие здания церквей построенные без учѐта законов Природы

рухнули. Естественно, что церковь была заинтересована в исследованиях

законов статики, для постройки вечных и высоких храмов.

Английский монах Роджер Бэкон (1214-1292) за 400 лет до Ньютона,

направив луч света на колбу с водой показал, что белый цвет содержит в себе

все цвета радуги, известно что он также изучал цвета возникающие при

отражении от плѐнки масла на поверхности воды. За 350 лет до Галилея он

научился изготавливать линзы и располагать их на разных концах цилиндра,

таким образом, что бы приближать видимые предметы. Р.Бэкон говорил, что

округлость Земли объясняет «почему выше мы видим дальше». Он также

утверждал, что только эксперимент может дать надѐжность знания.

Средневековые алхимики считали золото совершенным металлом, с годами

оно не окисляется, не вступает в реакцию с другими веществами, не испаряется.

Если золото расплавить, то еѐ вес останется без изменений. Так как всѐ в

природе стремиться к совершенству, следовательно и все вещества со временем

становятся золотом, считали алхимики. Это и было основанием для поиска

методов преобразования металлов в золото. В середине XX советские учѐные

сообщили об эксперименте, в котором при бомбардировке протонами атомов

свинца – Pb, было получено золото – Au.

Результаты работы средневековых алхимиков используются как основа

современной химии. Золото получено не было, но были открыты кислоты,

создана технология позолоты металлов с использование ртути, разработан

процесс дистилляции (последнее было известно и арабской науке).

Средневековые монастыри были заинтересованы в науке и для точного

отсчѐта времени. В XII в. в английском монастыре в городе Сант-Албанс

(St.Albans, 40 км. севернее Лондона) с целью контроля над коммерческой

деятельностью местного населения, были разработаны два типа очень точных

часов. Одни обычные часы были для отсчѐта времени суток, вторыми – были

астрономическими часами, для расчѐта фаз Луны, осеннего и весеннего

равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния. Это позволяло церкви

контролировать распорядок жизни и работы прихожан. Заметим, что до

недавнего времени обычным атрибутом христианских церквей и монастырей

были часы на башне.

Средневековые врачи считали, что все болезни зависят от соотношения

четырѐх жидкостей. Если в организме человека преобладала кровь, то он был

сангвиником (лат. sanguis – кровь), имел молодой темперамент. Если

преобладала слизь, то он был флегматиком (греч. phlegma – мокрота, слизь,

хладнокровие). Если преобладали чѐрная или жѐлтая желчь, то человек был

меланхоликом или холериком (греч. chole – желчь), соответственно. Лекари в

средние века ставили довольно амбициозную задачу – дать человеку вечную

жизнь, это было и главной темой церкви. Они не лечили болезни, а лечили

организм в целом. После длительного периода анализа – расчленения тела на

отдельные органы, только в конце XX в. медицина вернулась к пониманию

синтеза, холизма – целостности в решении проблем здоровья. Очевидно что

успехи современной медицины несколько преувеличены, согласно официальной

статистике в США в результате ошибок врачей умирает больше людей чем от

автомобильных катастроф, СПИДа и рака груди вместе взятых.


13

АСТРОНОМИЯ,

ПЕРВАЯ И ВТОРАЯ НАУЧНЫЕ РЕВОЛЮЦИИ

Первая научная революция

Можно представить науку как плавное историческое развитие от одной

кризисной ситуации, приводящей к научной революции, к другой кризисной

ситуации см Рис. 1.

Считается, что первые астрономические наблюдения начались в

Месопотамии (Двуречье), это область в средней и нижней части течения рек

Тигр и Евфрат на территории современного Ирака и Ирана. Из-за плодородных

почв возникающих между двух разливающихся рек, в 4-3-м тысячелетии до н.э.

здесь возник один из древнейших очагов цивилизации. Там даже строили

специальные башни для наблюдения звѐзд. Археологами были найдены

глиняные таблички на Вавилонском языке.

Впоследствии эти результаты заинтересовали

Древних греков Платона (428-347 до н.э.), его

ученика Аристотеля (384-322 до н.э.) и

впоследствии Клавдия Птолемея (90-160 гг. н.э.)

Последний разработал

математическую

теорию движения

планет вокруг

неподвижной Земли,

позволявшую

вычислить и

предсказать их положение на небе. Совместно с

теорией движения Солнца и Луны эта теория

составила птолемееву систему Мира. Система

Птолемея изложена в его главном труде

«Альмагест» (энциклопедии астрономии).

Считается, что первая естественно-научная революция была во времена

Аристотеля. В Древней Греции появилась академия Платона и ликей (лицей)

Аристотеля. До сих пор эти слова, академия и лицей, используются во многих

языках для обозначения учебных и научных учреждений.

В своей работе «Физика» Аристотель рассматривает вопросы о материи и

движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном, о причинах и

следствиях. В работе «О небе» Аристотель доказывает, что земля имеет форму

шара. Из астрономических наблюдений он понял, что лунные затмения

происходят только тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем, и

Земля всегда отбрасывает на Луну тень в форме окружности. Аристотель не

считал что Земля это плоский диск покоящийся на трѐх китах и трѐх слонах.

Напротив, уже четвѐртом веке до нашей эры, вслед за вавилонянами, он

сформулировал концепцию вращающейся Солнечной системы. Он полагал что

Земля находиться в центре, Солнце, Луна и другие планеты вращаются вокруг

неподвижной Земли по круговым орбитам. Говоря современным языком, он

описал движение небесных светил с точки зрения наблюдателя находящегося в

неподвижной системе отсчѐта – системе координат, прикреплѐнной к Земле.

Если мы зададим эти условия современной компьютерной программе, то

наверняка решение будет таким же, как и две с половиной тысячи лет назад.


14

Аристотель был автором идей и законов механики своего времени.

Например, «тело находиться в состоянии покоя до тех пор пока на него не будет

действовать внешняя сила». Звучит совершенно разумно, однако позже мы

сравним этот постулат с 1-м законом Ньютона, который также известен как

принцип относительности, который сформулировал Галилео Галилей (1564-

1642).

В период с 4-го по 1-й век до н.э. взгляды на устройство Вселенной сильно

изменились. Это был настоящий переворот в европейской науке, в понимании

законов устройства наблюдаемого Мира. Говоря современным языком, это была

коренная смена парадигм (греч. paradeigma – пример, образец) – серьѐзный

пересмотр общепринятых взглядов, или первая научная революция.

Известно, что те открытия в области науки, которые сохранили свою

важность до наших дней, были сделаны в области астрономии. Вслед за

вавилонянами, древние греки обратили свой взор к звѐздам, вышли в область

астрономических наблюдений и исследований, astron по-гречески значит звезда.

Земля перестала считаться плоским диском покоящимся на китах и слонах, а

стала представляться шаром в центре Вселенной. Была создана геоцентрическая

модель Вселенной.

Известно, что Архимед (287-212 до н.э.) уже

тогда разработал и предложил гелиоцентрическую

систему (Гелиос – Солнце). В центре системы было

Солнце, а планеты вращаются вокруг него. Однако

она была слишком революционная и не была

принята. На месопотамских глиняных табличках

тоже были найдены свидетельства того, что

гелиоцентрическая концепция рассматривалась

вавилонянами.

Пятью веками позже Клавдий Птолемей (90-

160), основываясь на систематических

астрономических наблюдениях и измерениях,

развил идеи Аристотеля и создал космологическую модель на основе

геоцентрической концепции (Гея – Земля). Земля неподвижна и находится в

центре, она окружена восемью сферами, по которым вращается Луна, Солнце и

остальные планеты. Необходимо подчеркнуть, что те наблюдения и измерения

которые делал Птолемей не могут быть повторены сейчас в тех же условиях.

Звѐздное небо постоянно меняется и его карта никогда не может быть

повторена. Астрономы до сих пор вынуждены использовать результаты его

наблюдений. Многие современные модели основаны и на этих данных.

Начало современной астрономии

В XV в. изучение Солнечной системы положил

польский врач и юрист который увлѐкся

астрономией, Николай Коперник (1473-1543). Его

исследования привели к концепции вращения Земли

вокруг своей оси и вращения еѐ вместе с другими

планетами вокруг Солнца. Он создал

гелиоцентрическую систему Мира, объясняя

видимые (наблюдаемые с Земли, с одной системы

отсчѐта) движения небесных светил вращением

Земли вокруг своей оси и обращением планет


15

вокруг Солнца. Солнце находилось в центре Вселенной и не рассматривалось

как движущийся объект. Коперник совершил переворот в естествознании,

отказавшись от принятого в течение многих веков учения. Свое учение изложил

в труде "Об обращениях небесных сфер" (1543), официально запрещенном

Римско-католической церковью вплоть до 1828.

Доминиканский монах, итальянский философ,

естествоиспытатель и поэт Джордано Бруно (1548-

1600) после бегства из монашеского ордена

путешествовал по Европе, знакомился с

восточными религиями. Впервые придумал

методику развития памяти, для 1576 г. это было

сенсацией. В 1583 г. посетил Англию, где

познакомился с теорией Коперника и горячо еѐ

поддержал. Он привѐз эту теорию в Италию но там

она не нашла поддержки церкви. Суд Римской

святой инквизиции над Бруно длился семь

мучительных лет. Он отрѐкся от своего авторства

привезѐнных идей, но не отрѐкся от их сути. В 1600

г. книги Джордано Бруно были сожжены и внесены в список запрещѐнных книг.

Сам он был сожжѐн на костре за ересь. В конце суда Бруно сказал: «С глазами

наделѐнными зрением, и с умом наделѐнным мыслями благословен милостью

божьей, я назначен вершить суд. Никогда не буду я несправедлив к тем кто

окажется на моѐм суде, и не буду я неблагодарен божественной милости,

которая не позволит мне ослепнуть, но поставит меня над слепцами и

потребует, чтобы я всеми своими силами защитил сияющую правду.» Сегодня в

Риме стоит памятник Джордано Бруно

Немецкий математик Иоганн Кеплер (1571-1630) стал рассчитывать

круговые орбиты Марса и Меркурия по круговым орбитам, для того, чтобы

предсказать время их точного появления в заранее заданной точке пространства.

Он не смог этого сделать, расчѐты не совпадали с наблюдениями. Тогда он

предположил, что планеты могут двигаться по эллиптическим орбитам. Эта

гипотеза дала положительный результат, было предсказано, что в заданное

время Меркурий пройдѐт перед Солнцем и это подтвердилось. Возникала

научная, в современном понимании, теория движения небесных тел.

Пользуясь наблюдениями, измерениями и количественными вычислениями

Кеплер сформулировал законы движения планет, составил планетные таблицы,

создал основы теории затмений. В современной трактовке законы Кеплера

можно сформулировать следующим образом:

1) Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого

находиться Солнце.

2) Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр

Солнца. Площадь сектора орбиты, описанная радиус-вектором,

соединяющим центр Солнца и центр планеты, изменяется

пропорционально времени вращения.

3) Квадраты времѐн обращения планет вокруг Солнца относятся как

кубы их средних расстояний до него.

Очевидно, что такого понятия как радиус-вектор во времена Кеплера не

было. То что мы изложили это не современный перевод, а современная

трактовка. Более того все научные труды того времени писались на латинском


16

языке. Это отражало тенденцию отделения учѐных от простолюдинов. Всѐ, что

было бы написано на других языках наукой бы не считалось. Интересно

культурологическое следствие – это дало возможность европейским учѐным

легко понимать работы иностранцев. Безусловно это давало мощный толчок для

развития международного общения и развития науки. С другой стороны,

современные трактовки законов 400 летней давности часто далеки от тех,

которые изначально были сформулированы на латинском языке, потом на

родном для автора языке, и только потом на понятном нам русском языке.

Важно лишь то, что их теоретические принципы верны.

древний Мир:

Греция, Индия,

Китай, Арабские

страны

Демокрит

Пифагор

Платон

Аристотель

Архимед

шкала времени, годы

Н.Коперник

Г.Галилей

Ф.Бэкон

И.Ньютон

Р.Гук

М.Планк

Лоренц

А.Эйнштейн

Э.Шрѐдингер

1700 1900 -300 0

T1

T2

T3

Рисунок 1.

Исторический взгляд на развитие науки через научные революции – T1, T2, T3.


17

В 1608 г. итальянский учѐный Галилео Галилей

(1564-1642) модифицировал телескоп, который

назывался «зрительная труба» и использовался как

игрушка для забавы знати. Известно, что внутри

египетских пирамид есть изображения довольно

подробных карт звѐздного неба. Археологи нашли

примитивные формы телескопа (греч. tele – вдаль,

далеко; skopeo – смотрю) в раскопках Древнего

Египта, но не нашли убедительных доказательств

его использования для астрономических

наблюдений. Галилей, естественно, был

сторонником идей Коперника.

Усовершенствованная модель телескопа состояла из свинцовой трубы и к

прикреплѐнным к ней с двух сторон линз, одной вогнутой и одной выпуклой. В

1609 г. в сенате Венеции Галилей первым публично продемонстрировал

применение телескопа как научного прибора для астрономических наблюдений.

До настоящего времени различные модификации телескопа используются как

научные прибор для проверки научных теоретических предсказаний.

Важным чиновникам Венеции Галилей пытался объяснить, что он может

«наблюдать» горы на Луне и пятна на Солнце. Он утверждал, что эти

«наблюдения» опровергают прославленную в веках теорию, согласно которой

небесные, тела должны быть непорочно чистыми, возвышенными сферами.

Однако его «наблюдения» не соответствуют критериям, по которым

«наблюдаемым» считается только то, что видят невооружѐнным глазом.

Возможности наблюдений Галилея зависели от возможностей его телескопа, а

следовательно, и от оптической теории, на основании которой этот телескоп

был изготовлен, что вызывало сомнения у многих его современников.

Аристотелевской «теории» противостояли не чистые, без теоретической

примеси, «наблюдения» Галилея, а «наблюдения», проведенные на основе

принятой им оптической теории. Именно эти «наблюдения» и противоречили

«наблюдениям» Аристотеля, которые были основаны на древней теории

небесных тел. Из оптики Галилея следовало, что если бы Луна была идеально

чистой сферой, то она была бы невидимой.

Тем не менее, впервые при помощи телескопа Галилей обнаружил на

поверхности Луны ландшафты похожие на земные – горы, каналы, долины. На

Солнце были обнаружены пятна, их движение натолкнуло Галилея на вывод,

что и Солнце вращается вокруг своей оси. У Венеры наблюдались

периодическая смена фаз, как и у Луны. Всѐ это подтверждало, что и Земля

может вращаться. В 1610 г. Галилей опубликовал открытие четырѐх спутников

планеты Юпитер. Это доказывало, что Земля не есть единственный центр

вращения во Вселенной. В телескоп стало возможным рассмотреть тысячи и

тысячи новых звѐзд, которые не было видно невооружѐнным глазом.

Планеты были видны как относительно большие диски и двигались на фоне

«неподвижных» звѐзд. Последние оставались светящимися точками. Из этого

был сделан вывод, что планеты находятся значительно ближе к Земле. Было

обнаружено, что Млечный Путь (Галактика в которой находится и наша

Солнечная Система) состоит из множества отдельных звѐзд, а не есть некое

атмосферное явление, как утверждал Аристотель.

Галилей считается, одним из основателей современного естествознания, он

сформулировал закон инерции: «если законы механики справедливы в одной


18

системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся

прямолинейно и равномерно относительно первой.» Иными словами, никакими

механическими опытами, проведѐнными внутри данной системы отсчѐта,

невозможно установить движется ли она прямолинейно и равномерно (V=const)

или находиться в состоянии покоя (V = 0). Постоянство скорости движения

стало принципиальным. Теоретически, скорость равная нулю это тоже

постоянная скорость.

Это был именно теоретический принцип. Нигде и никогда тела не могут

двигаться абсолютно равномерно, абсолютно прямолинейно или находиться в

абсолютном покое. Можно сказать что это была гипотетическое предположение

на основании, которого началась строиться новая теория. Галилей выступал

против схоластики, считал основой познания опыт, заложил основы

современной механики.

Галилей также сформулировал принцип или закон свободного падения –

«Тело падает с одинаковым ускорением независимо от массы». Т.е. и лѐгкое

перышко и тяжѐлый камень упадут на Землю (или на Луну) за одинаковое

время, если не будет силы трения воздуха, проще говоря в вакууме. Астронавты

высадившиеся на Луне проделали этот опыт в 1969 г. и экспериментально

подтвердили правильность данного принципа. Они отпустили в свободное

падение лѐгкое перо и тяжѐлый молоток, так как на Луне нет атмосферы и

притяжение на в шесть меньше чем на Земле эти два предмета падали медленно

и упали одновременно.

Аристотель был непререкаемым авторитетом у Римско-католической

церкви, в которой господствовала схоластика. Новые идеи противоречили

древним принципам, и Галилей вынужден был спорить с Католической

церковью. Он не спорил с властью церкви, но отстаивал независимость науки от

церкви. Он считал, что человек может попытаться узнать как устроена вся

Вселенная, изучая явления окружающего мира на Земле. Церковь не отрицала

силу науки, но старалась сохранить еѐ под своим влиянием.

В 1616 г. на Галилея поступил донос, это был первый донос на учѐного.

Идеи (и книга) Коперника были известны уже более пятидесяти лет.

Инквизитор кардинал Роберт Белармин знал Галилея и его работы, но донос это

то с чем и он должен был считаться. Это был первый случай касающийся науки,

раньше инквизиция имела дело с магией, ведьмами, ересью. В результате суда

Святой палатой был вынесен запрет на книги Коперника и Галилея. Это был

очень мягкий приговор. Кардинал Белармин умер в 1621 г., после этого Папа

Урбан VIII просит Галилея написать книгу в поддержку традиционной

геоцентрической концепции. Вместо этого Галилей пишет памфлет где в виде

пародии высмеивает Папу. Новый суд инквизиции приговаривает уже пожилого

Галилея к пожизненному заключению, но ему позволили остаться на родине,

где он продолжал свои исследования.

Преследования церкви серьѐзно подорвали его здоровье. Галилея не сожгли,

он согнулся под оказанным на него давлением, но несмотря на запрет

инквизиции в конце жизни он тайно переслал в заграничное (голландское)

издательство рукопись своей новой книги «Две новые науки», в ней

доказывалась гелиоцентрическая система и излагались новые принципы науки.

После Галилея, в XVII-XVIII веках новый подход, подход новой науки

развивался Иоганном Кеплером (1571-1630), Робертом Гуком (1635-1703),

Френсисом Бэконом (1561-1626), Рене Декартом (1596-1650), Исааком


19

Ньютоном (1643-1727), Готфридом Лейбницем (1646-1716), Михаилом

Ломоносовым (1711-1765) и многими другими.

Английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656-1742) в 1695 г.

предсказал прилѐт кометы, названной в последствии его именем. Он составил

первый в Новое время (1640-1918 гг.) каталог звѐзд, открыл их собственное

движение, вычислил орбиты свыше 20 комет, в том числе комету названную

впоследствии его именем (комета Галлея). Проанализировав и

систематизировав предыдущие наблюдения, отобрал повторяющиеся появления

похожих небесных тел выделил одну комету и предсказал время еѐ нового

появления (1758). Она действительно появилась в предсказанном году, но уже

после его смерти. Галлея приближается имеет период вращения по своей орбите

равный примерно 76 лет. Последний раз эта комета пролетала близко к Земле в

1986 г и тщательно изучалась космическими аппаратами Вега-1, Вега-2 и

Джотто.

Для работ английского математика, физика,

алхимика, чиновника Исаака Ньютона (1643-1727)

основное значение имели труды Галилея по

механике и тяготению. Знаменитый первый закон

Ньютона есть не что иное как закон инерции

Галилея. До Галилея господствовал принцип

Аристотеля, напомним: «тело движется если к нему

приложена сила, и остаѐтся неподвижным, если

сила не приложена». Обыденному сознанию и

сегодня легче объяснить и продемонстрировать этот

принцип, нежели принцип Галилея. Действительно

если на книгу лежащую на столе не действует

никаких сил, то она покоится, если мы прикладываем усилие для того, чтобы еѐ

сдвинуть, книга начинает двигаться.

Интересно, что и в XVII-XVIII веках исследователи искали те силы, которые

заставляют планеты двигаться, не могли найти, не меняли свои принципы и

находились в рамках старой теоретической концепции (парадигмы), которая не

могла предсказать движения планет. Только совершив настоящий

теоретический переворот стало возможным математически описать движение

планет. Переворот в науке состоял ещѐ и в том, что допускалось существование

абстрактной, теоретической модели. Экспериментальные условия и результаты

наблюдений могли приближаться к ней, но никогда не совпадали абсолютно

точно.

Изначально, механика была механикой небесных сфер и астрономические

наблюдения не давали основы для земных аналогий. Даже потом, когда

астрономические принципы подтверждались в лабораторных условиях с

меньшими телами, часто рассматривалась именно планетарная модель.

На основе своей теории всемирного тяготения Ньютон объяснил и уточнил

законы Кеплера.

Закон всемирного тяготения

Английский естествоиспытатель и архитектор Роберт Гук (1635-1703), член

Лондонского Королевского общества (аналог национальной академии наук),

попросил И.Ньютона объяснить и математически описать траектории движения

планет, используя новую теорию дифференциального и интегрального


20

исчисления. Ньютон проанализировал результаты полученные И.Кеплером,

Э.Галлеем и дополнительно проводимые для этой совместной работы

результаты наблюдений, которые получил английский астроном, директор

Королевской обсерватории в г. Гринвич, Джон Флемстид (1646-1719).

Теоретические исследования Ньютон проделал в одиночку и всего за полтора

года. В результате в 1687 была написана, ставшая знаменитой, книга

«Математические начала натуральной философии» (впервые напечатана на

латинском: ‘Philosophiae Naturalis Principia Mathematica’, английский перевод

вышел только после смерти Ньютона в 1729 г.)

В этой книге был сформулирован закон всемирного тяготения: сила

гравитации пропорциональна произведению двух масс M, m и обратно

пропорциональна квадрату расстояния между их центрами, R. Математическая

формула данного закона выглядит так:

2R

MmF .

Коэффициент пропорциональности γ определяется экспериментально. Он

является первой мировой константой (универсальной постоянной), т.е.

справедливой для всей Вселенной постоянной, которая справедлива для всех

тел и не меняется со временем.

Заметим, что Р. Гук, резко критиковал работы Ньютона. Несмотря на это,

настоящий триумф нового научного подхода настал, когда на основании новой

теории тяготения, астрономы теоретически предсказали существование и

местонахождения новой неизвестной планеты. Эта планета была обнаружена в

заранее предсказанной точке пространства, еѐ назвали Нептун.

Немецкий музыкант Уильям Гершель (1738-1822) бросил музыку, чтобы

занялся наукой и переехал ко двору английского короля. В 1800 г. он открыл

тепловые, невидимые лучи, которые были названы инфракрасными.

Увлѐкшись астрономией, сэр Гершель разработал и изготовил телескоп

длиной 6 м. С его помощью он впервые предпринял систематические

наблюдения звѐздного неба. Гершель разделил небо на сектора и подсчитывал

количество звѐзд в каждом секторе. Он количественно показал, что в одних

участках неба звѐзд было меньше, а в других больше. Впоследствии

выяснилось, что он наблюдал части Галактики (Млечный путь) к которой

относится и наша Солнечная система. Он исследовал звездные скопления,

двойные звезды, туманности, построил первую модель галактики, открыл

движение Солнца в пространстве относительно других звѐзд, открыл Уран

(1781 г.) и его 2 спутника (1787 г.) и 2 спутника Сатурна (1789 г.). Его сын Джон

Гершель (1792-1871) продолжил дело отца. Он исследовал двойные звѐзды,

составил каталог туманностей и звѐздных скоплений (1864 г.). Д.Гершель

наблюдал положения звѐзд и изменение яркости их блеска, последнее положило

начало современной науке астрофотометрии (см. фотометрия).


21


22

Законы Ньютона

Галилей подверг сомнению принципы Аристотеля считая, что все старые и

устоявшиеся истины нужно проверять экспериментально. Галилей заложил

основы современной экспериментальной и теоретической науки и второй

научной революции. Считается, что Исаак Ньютон завершил эту научную

революцию.

В своих «Началах» Ньютон сформулировал математические принципы

классической механики, которые до сих пор изучаются в школах и

университетах, и до сих находят применение в довольно широких практических

областях. О первом постулате – принципе относительности Галилея мы уже

говорили. В формулировке Ньютона он звучит так: «всякое тело пребывает в

состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока

действующие на него силы не изменят направление это движения».

Второй принцип или закон, в изложении близком к трактовке Ньютона,

звучит так: «изменение движения тела пропорционально приложенной силе и

имеет место в направлении прямой линии, по которой эта сила приложена.»

Иными словами, сила F равна изменению момента количества движения p –

импульса, в современной трактовке:

dt

dpF ,

где p равен произведению массы тела m на его скорость υ:

p=m υ.

Следовательно

dt

mdF

)( ,

так как в классической механике m является константой и от времени не

зависит. Очевидно, что производная скорости по времени есть ускорение, и мы

получаем общепринятую трактовку второго закона Ньютона в виде формулы:

madt

dmF

.

Третье начало «натуральной философии» (читай естествознания), можно

перевести так: «для каждой силы действия есть соответствующая сила

противодействия, которая равна по величине и противоположна по

направлению.» Или в другой трактовке: «Когда бы одно тело ни давило на

другое тело, последнее давит на первое, с силой такой же по величине и

противоположным направлением.» Математическая формулировка выглядит

так:

F1 = – F2 .

В книге И.Ньютона «Математические начала натуральной философии» была

развита идея о том, что для поддержания движения физического тела сила не

нужна. Тело само будет двигаться если не оказывать на него никакого

воздействия. В развитие кинематических законов Кеплера и Галилея, Ньютон


23

определил понятия силы, массы и инерции. Развитие классической механики

окончательно ниспровергало теорию Аристотеля. Сейчас мы называем этот

период – второй научной революцией.

Вторая научная революция.

развитие ньютоновской механики, Г.Галилей, Ф.Бэкон, Д.Флемстид, Р.Гук.

Определѐнно одно, классическая механика была первой формализованной

теорией индуктивного типа, она объединила механику земных и небесных тел.

Для всех наблюдаемых тел были предложены одинаковые законы: инерции,

приложенных сил и тяготения. Смысл теории индуктивного типа показа на

схеме, Рис. 3. Изучая конечное число наблюдений (экспериментов) n можно

создать соответствующую теорию Т, которая с единых позиций объяснит все

эти явления с определѐнной, наперѐд заданной точностью. Далее, используя

созданную формализованную теорию, можно математически смоделировать

поведение экспериментальной, в частном случае механической системы, и

предсказать практически бесконечный (∞) ряд других феноменов, которые

можно будет проверять экспериментально и либо подтверждать теорию, либо

опровергать еѐ в рамках единой господствующей в данный момент научной

парадигмы. Первое время несовпадения с теорией не рассматривают, не

придают значения. Впоследствии, когда такие наблюдения, факты, явления,

эксперименты игнорировать нельзя, начинает возникать новая теоретическая

концепция, которая либо поглотит (Рис. 4а), либо полностью заменит (Рис. 4б)

старую теорию.

Необходимо добавить, что именно Исаак Ньютон, забыв про Галилея и

вычеркнув все ссылки на своего соавтора Д.Флемстида, создал прецедент

построения науки (научной теории), который используется до наших дней. Это

не простое «заимствование» результатов или «подмена» авторства. После того

как построена формализованная теория (теоретическая модель, система

математических уравнений) использованные для еѐ создания

экспериментальные данные уже не нужны. Очевидно, что если эксперименты

были поставлены правильно и исчерпывающе, то и теория будет охватывать

любые новые эксперименты поставленные в рамках данной теории, единой

концепции, модели. Опыт многих исследователей XX в. подтверждает это. К

сожалению до наших дней многие исследователи рассматривают эксперимент

как нечто дополнительное или даже вторичное. Соавторов экспериментаторов

теоретики до сих пор любят оставлять за пределами списков авторов

совместных работ. Сам Ньютон, как бы в оправдание, говорил: «я стоял на

плечах титанов, поэтому видел дальше».

В начале XX в. А.Эйнштейн развил эту концепцию следующим образом:

«Если факты (экспериментальные данные) не совпадают с теорией, замените

факты».

Построение эксперимента

Принципы правильного построения эксперимента сформулировал Френсис

Бэкон (1561-1626). В отличии от Ньютона Ф.Бэкон не придавал существенного

значения математике и теоретическому подходу, однако ему принадлежит

лозунг «Знание – сила» («Knowledge is power»). В книге «Новый органон»

(1620) (греч. organon – орудие, инструмент) Бэкон разработал методику

проведения научного эксперимента. Ф.Бэкон создал таблицы совпадений


24

(соответствий), таблицы несовпадений (несоответствий), таблицы частот.

Именно эти принципы позволили набрать необходимый материал наблюдений

для построения новой теории. В отличии от самой механики, принципы

Ф.Бэкона до сих пор не изменились, и остаются основой проведения научных

экспериментов. Недооценка таких дисциплин, как истории науки и философии

науки, часто приводит современных исследователей к пустой трате времени,

вместо корректного проведения важных и дорогостоящих экспериментов.

Концепции проведения научного эксперимента сформулированные

Френсисом Бэконом, вошли в культуру научного сообщества настолько, что

большинство исследователей, даже не задумываясь об этом, интуитивно

T1 T2 T3

T1

T2

T3

а) б)

Рисунок 4.

В соответствии с традиционной концепцией а), новая научная теория Т1 объясняет большее

количество экспериментальных фактов, чем старая теория – Т1. Т3 объясняет Т2 и Т1

вместе взятые. В тоже время предыдущие теории входят в новую как частные случаи при

определѐнных условиях. Концепция Т.Куна использует несколько другой подход б), новая

теория полностью отличается от предыдущей. Она объясняет старые явления, наблюдения,

эксперименты с абсолютно новых позиций и Т1, Т2, Т3 никак не пересекаются.

Т

1 1

n

2 3

→

3

2

ин

дук

ци

я

дед

ук

ци

я

Рисунок 3. Концепция построения теории дедуктивного типа.


25

используют подходы «нового метода». Там где они совпадают с теми, что

изложены в книге «Новый органон» исследователи оказываются правы.

Эти принципы получили развитие в позитивизме, см. глоссарий –

верификация (проверка гипотез) и пролиферация (рост, распространение)

научного знания.

Современная научная теория это, в первую очередь, теоретическая модель,

которая либо подтверждается в эксперименте с определѐнной точностью и

принимается, либо не подтверждается, опровергается и отвергается. Существует

эта модель тоже какое-то время, и зачастую только в определѐнном сообществе

исследователей (учѐных). Со временем она либо уточняется, либо

опровергается, либо полностью заменяется новой моделью.

В XX веке были создана новая, квантовая механика, и новый принцип

относительности, см. ниже. Однако такой подход – придумать некую

идеализированную, ненаблюдаемую на практике, абстрактную (отвлечѐнную)

модель для описания наблюдаемых явлений – господствует в современной

науке до сих пор. Рис. 4 показывает две модели развития науки. В соответствии

с первой (а) новая теория Т2 уточняет старые результаты и включает в себя

предыдущую теорию Т1, как частный случай. После некоторого времени Т2

сама становиться частным случаем более новой теории Т3. Другой, подход (б)

трактует развитие науки как полную смену парадигм (см. глоссарий, Томас

Кун). Предыдущие теории не выдерживают критики под напором новых фактов

и полностью сменяются новой теорией.

Возвращаясь к мыслителям Древней Греции, надо сказать, что они были

преимущественно наблюдателями природы. Говоря о научном подходе, в

современном понимании этого слова, мы имеем в виду ту науку, начало которой

положил Галилео Галилей в конце XVI, начале XVII в. Начиналась наука когда

наблюдения и размышления, развились до уровня экспериментов и вычислений,

описание и анализ сформировались в чѐткие теоретические (математические)

формулировки, проверка наблюдений в экспериментальное подтверждение

гипотез (теоретических формулировок).

Развитие науки в XVII-XVIII веках вынудило Римско-католическую церковь

снять запреты на книги Коперника, Галилея, Кеплера. Только в начале XXI века

(Собор Святого Петра в Риме, 12 марта 2000 г.) впервые за двух тысячелетнюю

историю христианства Папа Римский Иоан Павел II (Карол Войтыла (1920-

2005) публично попросил прощения у Бога за все грехи церкви. Таким образом

он покаялся за инквизицию и за гонения, которые испытала на себе наука на

протяжении нескольких столетий.

Только в конце XX в. Римско-католическая церковь формально признала

гелиоцентрическую концепцию. В итоге, церковь отказалась от споров и борьбы

с наукой. Необходимо отметить, что в основном это была католическая ветвь

христианства. Протестантская и Православная церкви такого мощного,

организованного и систематического давления на науку не оказывали. Заметим,

что две другие мировые религии – Буддизм и Мусульманство – также не

оказывали и не оказывают отрицательного влияния на науку.

Современная астрономия

В 1924 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) определил, что

туманности это есть другие галактики, которые находятся от нас


26

на расстоянии сотен, тысяч и миллионов световых лет. В 1929 г. Хаббл

установил закономерность разлета галактик. Он исследовал спектры излучения

галактик и определил, что одни имеют смещение в синюю область спектра и

движутся по направлению к нам, а другие имеют смещение в красную область

спектра и движутся от нас. Большинство галактик имело красное смещение

спектра. Чем дальше от Земли, тем большее было это смещение. Получалось,

что Вселенная разлетается (расширяется) и чем дальше к периферии, тем

быстрее. Сила гравитации должна притягивать все космические тела и

замедлять их удаление друг от друга, однако этого не происходит.

Предполагается, что существует «тѐмная энергия» которая и заставляет

расширяющуюся Вселенную ускоряться. Тѐмная энергия связана с

антивеществом (антиматерией), которое мы до сих пор наблюдать не можем.

В 1930 г. американский астроном, работавший в лаборатории Белла, Карл

Янский (Jansky – иногда произноситься Дженски) (1905-1950) исследовал

радиоволны. Пытался устранить радиопомехи приходящие из атмосферы.

Некоторые радиопомехи устранить не удалось. Впоследствии выяснилось, что

это радиоволны приходящие из созвездия Стрельца. Таким образом было

открыто космическое излучение радио диапазона (радиоизлучение). Это

положило начало новой науке радиоастрономии. Кроме радиоволн, из космоса

также приходят рентгеновские и γ-лучи. Излучение регистрируют также от

квазаров, пульсаров и чѐрных дыр.


27

В 1964 г. американские (Белл Лаборатори) радиоастроном Роберт Вильсон

(Уилсон) (род. 1936) и радиофизик Арно Пензиас (род. 1933) использовали

квадратную антенну со стороной 6 м для исследования космического

излучения. Экспериментально было измерено излучение, которое было на 3-4

единицы выше, чем теоретически рассчитанное

для данной точки пространства. Исследователи

пришли к выводу, что им удалось

зарегистрировать реликтово излучение. Это

фоновое космическое излучение, которое

возникло через 300 тыс. лет после большого

взрыва. Происхождение этого излучения

связывают с эволюцией и расширением

Вселенной, которая в начале своего рождения

имела высокую температуру и плотность. За это

открытие Р.Вильсон и А.Пензиас получили

Нобелевскую премию по физике 1978 г.

Открытие космического гамма-излучения состоялось в 1969-1972 гг. сначала

фиксировались отдельные вспышки в различных не предсказуемых частях

Вселенной. Первая фотография гамма-излучения была получена в 1997 г.

Излучение пришло от звѐзд находящихся от Земли на расстоянии 12

миллиардов световых лет. Это положило начало гамма-астрономии.


28

В 1990-х годах польский астроном Алекс Волчан, опосредованно (по

вычислениям) обнаружил три планеты около других звѐзд (экстрасолярные

планеты). Пользуясь современной теоретической моделью небесной механики,

по отклонению звѐзд вычислил возможное присутствие других небесных тел.

На сегодняшний день известно 130 планет вне Солнечной системы.


29

ТЕРМОДИНАМИКА

Движение тепла

Классическая термодинамика, изучает внутреннее состояние

макроскопических тел находящихся в тепловом равновесии, она занимается

изучением законов преобразования и передачи тепла (тепловую энергию).

Термодинамика сформировалась в XIX веке, как теория тепловых машин. Она

изучала переход тепловой энергии в механическую энергию. Эта наука впервые

стала производительной силой, которая вносила существенный практический

вклад в производство паровых двигателей.

Почему понадобилось разрабатывать новую науку? Если у нас есть

несколько взаимодействующих твердых тел, то механика даст ответ на вопрос,

как эти тела будут двигаться. Макроскопические тела имеют массу, объем,

форму, температуру, они могут перемещаться в пространстве, вращаться,

сталкиваться друг с другом. Как следствие, они могут обладать кинетической и

потенциальной энергией. Эти вопросы рассматриваются в рамках классической

механики. Однако, до XIX в. не было теории, которая описывала бы

распределение энергии по телу. Без ответа на этот вопрос нет полного

физического описания макроскопического тела.

Тела обладают и внутренней энергией, эту энергию можно увеличить

(нагреть тело), еѐ можно отнять (охладить тело). До XIX в. считалось что

температура тел зависит от особой перетекающей жидкости, еѐ называли

теплород (невесомая материя, являющаяся причиной нагревания тел). С

развитием молекулярно-кинетической теории (МКТ) и термодинамики

выяснилось, что температура газов, жидкостей и макроскопических твѐрдых тел

определяется движением молекул (частиц микромира), их скоростью, или

иными словами кинетической энергией. Эта энергия определяется не только

прямолинейным хаотическим (беспорядочным) движением, но и вращательным

и колебательным движением молекул.

Второе заблуждение, от которого наука со временим отказалась, было

связано с идеей построения вечного двигателя (perpetum mobile). Многие

учѐные и инженеры пытались создать такую машину, которая будет работать

вечно, быть неисчерпаемым источником энергии. Часто это пытаются

представить как тупик в развитии науки, однако это можно считать некой

исследовательской программой, неким направлением развития науки, которое

дало важные результаты. Вечный двигатель не построили, но удалось найти

новые законы природы и объяснить почему никакой механизм не может

работать вечно. Выяснилось, что внутренняя энергия это объективная

физическая реальность. Еѐ сохранение, преобразование, передача объясняется

законом сохранения энергии.

Можно предположить, что внутренняя энергия может быть распределена по

объему тела как угодно. Однако полученные экспериментальные факты

свидетельствуют, что все макроскопические тела и системы, будучи

изолированы от внешнего воздействия, рано или поздно приходят в состояние

теплового равновесия, чаще говорят, термодинамического равновесия. Это

состояние является единственным для данной системы, следовательно

распределение внутренней энергии по объѐму тоже должно быть единственным.

В начале XIX в. классическая механика была мощной теоретической базой

для исследования законов природы, но в еѐ рамках не удавалось описать

перераспределение тепла и изменение внутренней энергии тел. Чтобы


30

вычислить как распределена внутренняя энергия и температура в

макроскопическом теле в состоянии равновесия или в состоянии далѐком от

равновесия, пришлось проводить ряд новых экспериментов и создавать новую

теорию. Эту теория и называли термодинамика. Термин происходит от

греческих слов therme – тепло, и dynamis – сила. В конечном итоге она

сформировалась как раздел физики, изучающий свойства макроскопических

систем, находящихся в состоянии теплового (термодинамического) равновесия,

и процессы перехода между этими состояниями.

Классическая термодинамика

Термодинамика возникла в 1-й половине XIX в. в связи с развитием теории

тепловых машин, которые являются механическими в макромире и

термодинамическими в микромире. Установление закона сохранения энергии

(немецкий естествоиспытатель и врач Ю.Р.Майер (1814-1878), английский

физик Д.П.Джоуль (1818-1889), немецкий учѐный Г.Л.Ф.Гельмгольц (1821-

1894)) и первого, второго и третьего законов или начал (французский физик и

инженер С.Карно (1796-1832), немецкий физик Р.Клаузиус (1822-1888),

английский физик У.Томсон, лорд Кельвин (1824-1907)) термодинамики

окончательно сформировало еѐ самостоятельную науку.

К наукам занимающимся описанием молекулярного строение вещества,

относятся молекулярно-кинетическая теория и статистическая физика. Эти

дисциплины дают описание материи на более фундаментальном

микроскопическом молекулярном уровне. Современный термодинамический

подход тоже использует статистическую физику и молекулярно-кинетическую

теорию.

Классическая термодинамика родилась как феноменологическая

(описательная) теория макроскопических тел. Термодинамика ничего не знаела

про атомы и молекулы. Поэтому в рамках данного подхода математические

выражение для некоторых понятий, да и сами понятия вводятся иначе, чем в

других разделах физики. Именно по этому многие понятия термодинамики

сложны для понимания, например энтропия – мера неупорядоченности

вещества, или внутренняя энергия, или работа вызванная теплом. Добавим к

этому энтальпию, функцию Гиббса, термодинамические потенциалы, циклы

тепловых машин, свойства термодинамических систем, а так же идеальный газ,

реальный газ, диэлектрики, магнетики, равновесные и неравновесные процессы,

термодинамические фазы и фазовые переходы.

Начнѐм с понятия температура, которое постулируется в рамках

молекулярно-кинетической теории (МКТ) как макроскопическое проявление

микроскопического движения молекул, жидкости, газа или твѐрдого тела.

Рассмотрим два тела с разными температурами. Одно из них имеет температуру

Т1=+20 С, а другое Т2 = –20 С. После соединения этих тел вместе, с течением

времени температуры их изменяться, и будут равны одной величине Т3,

которая, можно предположить, будет равна нуля градусов Цельсия (0 С). Ото

очевидное поведение тел с разными температурами называют нулевое начало

термодинамики.

Состояние равновесия двух тел, соединѐнных вместе это состояние с

максимальной энтропией

степень упорядоченности и, следовательно, меньшую энтропию. После

выравнивания температур скорости движения молекул стали иметь более

равномерное распределение, быть более одинаковыми, а это и приводит к


31

увеличению степени дезорганизации системы. Энтропия системы S, либо не

меняется, либо растѐт, следовательно изменение энтропии всегда не убывает

(увеличивается или остаѐтся постоянным): ΔS≥0. Для каждой конечной системы

имеется максимальное значение энтропии. Считается, что если функция S =

S(V,N,U) задана, то и термодинамика системы построена. Все последующие

термодинамические характеристики тела (температура, давление, химический

потенциал и т.д.) — есть просто математические следствия этого. В частности,

температура связана с производной энтропии по внутренней энергии, и нулевое

начало термодинамики следует из свойств функциональной зависимости S =

S(V,N,U).

Первое начало

Законы термодинамики, обычно их называют начала, являются основой не

только для передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому, но и

основой сохранения и передачи любой энергии, не только тепловой.

Первое начало, это первый закон термодинамики является одним из

основных. Он сформулировано в середине XIX века как результат исследований

Ю.Майера, Д.Джоуля и Г.Гельмгольца. Он характеризует преобразование

энергии нагрева какого либо вещества в полезную работу. Первое начало также

является законом сохранения энергии в применении к термодинамическим

процессам. Первое начало термодинамики часто формулируют как

невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал

бы работу, не черпая энергию из какого-либо внешнего источника.

Дадим математическую формулировку первого начала. Изменение

внутренней энергии закрытой системы ΔU, которое происходит в равновесном

процессе перехода системы из одного состояния (С1) в другое состояние (С2),

равно сумме работы A', совершенной над системой внешними силами, и

количества теплоты, сообщѐнного системе, Q:

ΔU = A' + Q.

Работа совершѐнная системой над внешними телами A, в процессе перехода

С1 → С2 равна работе совершѐнной над системой с противоположным знаком

(ср. третий закон И.Ньютона):

A = –A',

следовательно, для изменения внутренней энергии можно записать:

ΔU = Q – A,

или в более привычном виде:

Q = ΔU + A.

Последняя формула означает, при нагревании воды или пара в паровой

машины количество теплоты Q, сообщаемое системе, расходуется на изменение

внутренней энергии ΔU, системы и на совершение системой полезной работы A.

Для маленького изменения (элементарного) количества теплоты δQ;

элементарной работы δA и малого изменения внутренней энергии dU, первый

закон термодинамики принимает вид:


32

δQ = dU + δA.

Рассмотрим случаи встречающиеся на практике. В первом случае δQ > 0,

очевидно означает, что тепло подводится к системе, во втором, δQ < 0, тепло от

к системы отводится.

В конечном процессе перехода системы из одного состояния в другое,

элементарное количество теплоты может быть любого знака. Общее количество

теплоты, которое мы назвали просто Q есть алгебраическая сумма (интеграл)

элементарных количеств (δQ) количеств теплоты, сообщаемых на всех участках

этого процесса. Тоже самое можно сказать и про работу совершаемую любым

двигателем. В начале это были только паровые двигатели, потом появились

двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, реактивные двигатели, и даже

ядерные и термоядерные реакторы.

Коэффициент полезного действия

Понятие коэффициента полезного действия (КПД) родилось тоже в рамках

термодинамики. КПД есть отношение полезной совершѐнной двигателем

работы А, над общей, затраченной на еѐ выполнение энергии Е:

КПДE

A .

Теоретически, в тепловом двигателе максимально возможный КПД зависит

только от двух температур, температуры нагревателя ТН (котла, паровой

машины) и температуры холодильника ТХ (окружающей среды). Оставляя

вычисления, запишем формулу максимального коэффициента полезного

действия термодинамической системы:

КПД=H

XH

T

T T ,

эту формулу можно переписать в другом виде:

КПД=H

X

T

T1 .

Из этих формул следует, что чем больше температура нагревающегося пара,

и чем ниже температура той части двигателя, которая охлаждает этот пар

(холодильника) тем выше можно получить КПД работы машины. Верно и

обратное чем меньше разность этих температур ТН – ТХ тем меньше

коэффициент полезного действия тепловой машины. Получилось, что

двигатель, у которых все части находятся при одинаковой температуре работать

не может.

Позже выяснилось, что этот закон и другие законы термодинамики можно

применять и к другим двигателям и системам, например двигатели внутреннего

сгорания, газотурбинные и реактивные двигатели, а также обычные бытовые

холодильники и морозильные камеры, которые через сто лет, во второй

половине XX века, стали обычной принадлежностью любой кухни или

столовой. В XIX в. их не было, хотя технические возможности для их создания

были.


33

Можно заметить, что если температура окружающей среды (комнаты)

растѐт, например летом то и наш домашний морозильник или морозильная

камера работает менее эффективно, с меньшим КПД – хуже охлаждает или

потребляет больше электроэнергии. Верно и обратное, если зимой температура

воздуха окружающей среды падает, то и морозильник начинает охлаждать

продукты более эффективно.

КПД обычного бензинового автомобиля можно оценить на уровне 20-30%,

т.е. только 20-30 грамм из одного литра бензина идѐт на полезную работу –

движение автомобиля, а остальное идѐт на нагрев и преодоление сил трения.

Второе начало В 1865 г. его сформулировал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-

1888) он же ввѐл понятие энтропии. Второе начало связано с более

фундаментальными законами организации материи. Рассмотрим энтропию S,

как некую функцию состояния физического тела. Она зависит от таких

макроскопических характеристик тела, как объем – V, количество вещества

(число молекул) – N, и внутренняя энергия – U, тогда S есть функция этих трѐх

аргументов (переменных):

S = S(V,N,U).

Энтропия есть экстенсивная или аддитивная величина (лат. aditivus –

прибавляемый, т.е. можно представить в виде суммы). Из этого следует, что

полная энтропия всей системы есть сумма энтропий подсистем. Получается, что

полная энтропия тела оказывается зависящей от того, как именно внутренняя

энергия распределена по его объему. Изменение энтропии, при некоторой

заданной температуре Т, можно определить следующей формулой:

T

QdS

.

Это и есть математическая формулировка второго начала термодинамики. Как

мы уже отмечали энтропия любой замкнутой системы увеличивается или

остаѐтся постоянной, не убывает: ΔS≥0.

Под замкнутыми системами понимают системы которые не обмениваются с

внешней средой ни энергией, ни веществом. Со временем они неизбежно

приходят в состояние равновесия. Такие системы и изучает равновесная

термодинамика.

Из второго начала следует, что со временем наступит выравнивание

температур и всех тел во Вселенной. Однако по формуле определяющей КПД,

при выравнивании температур частей системы никакая полезная работа

(движение) совершаться не может, следовательно всѐ движение во Вселенной

остановится, наступит состояние максимальной энтропии. Этот парадокс

возникший в термодинамике и в классической физике к концу XIX в.

называется «тепловая смерть Вселенной».

Вечный двигатель 2-го рода это воображаемая тепловая машина, которая в

результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует

теплоту, получаемую от какого-либо одного неисчерпаемого источника (океана,

атмосферы, солнца) в работу. Действие вечного двигателя 2-го рода не

противоречит первому началу, закону сохранения и превращения энергии, но


34

нарушает второе начало термодинамики, и поэтому такой двигатель

неосуществим.

Интересно отметить, что до середины XIX в. многие исследователи и

инженеры, включая известного русского изобретателя Ивана Петровича

Кулибина (1735-1818), пытались создать модель вечного двигателя.

Термодинамика показала, что это невозможно. Однако до наших дней в

редакции научных журналов и различные академии наук приходят проекты от

множества современных изобретателей вечных двигателей.

Третье начало

Третье начало термодинамики (теорема

Нернста) сформулировал немецкий специалист в

области физической химии Вальтер Нернст (1864-

1941). Эта теорема устанавливает, что энтропия

физической системы при стремлении температуры

к абсолютному нулю не зависит от параметров

системы и остается неизменной.

Немецкий физик, один из основателей

квантовой механики, Макс Планк (1858-1947)

дополнил теорему

Нернста гипотезой, что

энтропия всех тел при

абсолютном нуле температуры равна нулю. Из

вытекают важные следствия о свойствах вещества

вблизи абсолютного нуля температуры:

обращаются в нуль удельные теплоемкости тел,

термический коэффициент расширения,

термический коэффициент давления.

Третье начало формулирует гипотезу о неком

абстрактном состоянии при котором любое

движение останавливается, это температура

абсолютного нуля по новой термодинамической

шкале температур (шкала Кельвина), обозначается

Т, и измеряется в кельвинах К, до 1968 г. назывался

градус Кельвина ( К). Название дано в честь

Уильяма Томсона (1824-1907) (с 1892 г. лорда

Кельвина).

Эта теорема также оговаривает, что состояние

абсолютного нуля температуры при конечной

последовательности термодинамических процессов

не может быть достигнуто. Шкала Цельсия ( С),

предложена шведским астрономом Андресом

Цельсием (1701-1744) в 1942 г., связана с

термодинамической шкалой соотношением t = Т – 273,16 К, 1К = 1 С

Современная термодинамика

Современная термодинамика включает в себя также применение

термодинамики к нестандартным системам, например термодинамика чѐрных

дыр, см. ниже. Очевидно, что термодинамика, как и многие другие физические

теории, может быть сформулирована на основе неких теоретических


35

(абстрактных) принципов. Равновесная термодинамика, справедлива для

макроскопических аддитивных систем, пришедших в состояние равновесия.

Однако термодинамический подход, из-за своей простоты и строгости, можно

попытаться применить и к системам, в которых классическая термодинамика

неприменима. Открытые системы, такие как живая клетка, или живой организм,

изучает неравновесная термодинамика.

Нидерландский физик Хейке ОннесКамерлинг-Оннес) (1853-1926),

организатор и первый директор криогенной лаборатории (лаборатории низких

температур) в г. Лейден, первым достиг температур, близких к абсолютному

нулю и впервые (1908 г.) получил жидкий гелий. В 1911 г. Оннесобнаружил,

что при понижении температур до температур жидкого гелия, около –269 С (4К)

происходит резкое падение сопротивления металлов электрическому току

(Нобелевская премия 1913 г.) Это явление было названо сверхпроводимость.

Теоретическое объяснение было дано в 1967 г. Переход в сверхпроводящее

состояние связан с образованием пар электронов (куперовских пар) в результате

их притяжения к друг другу (эффект Купера, в 1956 предсказан американским

физиком-теоретиком Л.Купером (род. 1930, Нобелевская премия 1972 г.). Это

притяжение отрицательно заряженных частиц вызвано внешними силами,

колебаниями ионов кристаллической решѐтки. Электрический ток есть

направленное движение электрических зарядов. При возникновении

сверхпроводимости движущимися становятся не электроны, а новые квази (как

бы) частицы – связанные пары электронов.

В 70-х годах в швейцарском отделении фирмы IBM (International Business

Machines), были обнаружены материалы обладающие сверхпроводимостью при

температуре на 100 градусов выше (–170˚С). В конце 80-х была обнаружены

керамические материалы на основе оксидов редкоземельных металлов, которые

имеют сверхпроводящие свойства при температурах приближающихся к

комнатной температуре (~300 К). Механизм высокотемпературной

сверхпроводимости пока неизвестен.

Кризис классического естествознания

В конце XIX – начале XX века в результате развития термодинамики,

квантовой механики, открытия новых необъяснимых явлений – рентгеновского

излучения, излучения солей урана (радиоактивности) стало понятно, что

принципы классической механики и классической физики должны быть

заменены новыми принципами. Экспериментальная кривая спектра излучения

нагретого тела (абсолютно чѐрного тела), Рис. 7, не совпадала с теоретической

кривой даваемой классической физикой. При длинах волн приближающихся к

нулю теоретические значения стремились к бесконечности, а

экспериментальные к нулю.

Другой проблемой был следующий вывод, который следовал из

классической физики: «если мир это машина то, в соответствии с законами

термодинамики, она должна со временем остановиться».

Все эти открытия подготавливали переворот в науке, который называется

третья научная революция.


36


37

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Электрический заряд

Тела имеют электрические заряды и магнитные моменты, а значит может

взаимодействовать с внешними электромагнитными полями. Наука, изучающая

такие взаимодействия, называется классической электродинамикой. В XX в.

была развита и квантовая электродинамика, но мы начнѐм с классической.

Годом рождения электродинамики можно считать 1820 год. В этом году

датский физик Ханс Эрстед (1777-1851) открыл влияние провода с

электрическим током на магнитную стрелку. Электрический заряд есть

количественная характеристика, показывающая степень возможного участия

тела в электромагнитных взаимодействиях. Единица измерения заряда в

общепринятой в современной науке международной системе единиц (СИ –

система интернациональная) измеряется в кулонах. Впервые электрический

заряд был использован в законе Кулона в 1785 году. Названия даны по имени

известного французского инженера и физика Шарля Кулона (1736-1806),

основателя электростатики, и изобретателя прибора называемого крутильные

весы, использованные для измерения заряда.

Классическая электродинамика это раздел физики, изучающий

взаимодействие электрических зарядов, в покое и в движении, друг с другом, а

также с внешними электрическими и магнитными полями. Электродинамика

изучает законы взаимодействия электрических зарядов, полей и токов в вакууме

и в среде. Электростатика и магнитостатика изучают статические силы

возникающие в неподвижном состоянии зарядов и токов. Излучение и

распространение электромагнитного излучения также изучаются в рамках

электродинамики. Носителями электрического заряда являются электрически

заряженные элементарные частицы, в том числе электрон – элементарный

отрицательный электрический заряд, и протон – элементарный положительный

заряд.

Вращение кольцеобразных проводников с током в магнитном поле

приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС). В 1831 г. это

продемонстрировал английский переплѐтчик книг, впоследствии физик,

основоположник учения об электромагнитном поле

Майкл Фарадей (1791-1867). Открытое явление

получило название электромагнитной индукции,

оно легло в основу электродинамики и

электротехники. В 1833-1834 гг. М.Фарадей

установил законы электролиза, названные его

именем, открыл пара- и диамагнетизм. Он также

создал первый электромагнитный генератор,

устройство которое преобразует механическую

энергию в электрическою.

Впоследствии была предложена концепция

наличия вокруг электрических зарядов некой новой

субстанции – электрического поля. Возникло новое понятие физическое поле –

это особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих

электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах.

Электрическое поле это особая форма материи, оно непосредственно невидимо,

но может наблюдаться по его действию на тела и частицы с помощью приборов.


38

Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц,

обладающих электрическим зарядом.

Электромагнитное поле

Для того, чтобы создать статическое электрическое поле, нужно накопить

электрический заряд. Это можно сделать натерев какой-нибудь диэлектрик о

натуральную шерсть или что-нибудь подобное, например, кусок янтаря (греч.

elektron – янтарь), пластиковую ручку о собственные волосы. На ручке

создастся заряд, а вокруг – электрическое поле. Заряженная ручка будет

притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет

большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно увидеть

мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана при

включении или выключении телеприѐмника. Это поле можно почувствовать по

его действию на волосы на голове или руках.

Электрическое поле можно рассматривать и как некую теоретическую

(математическую) модель, описывающую значение величины напряженности

электрического поля в данной точке пространства. Считается, что поле не

является некой разновидностью вещества, но является материальным, оно

оказалось чрезвычайно важной концепцией и сыграло огромную роль в

развитии физики.

Электрическое поле является одной из составляющих единого

электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия.

Эффект поля состоит в том, что под действием некой внешней электрической

силы изменяется концентрация свободных носителей заряда в

приповерхностной области полупроводника. К сожалению, даже современная

наука еще не достигла понимания физической сущности электрического,

магнитного и гравитационного полей, а также их взаимодействия друг с другом.

Пока еще только описаны результаты их воздействия (механического

воздействия) на зараженные тела.

Вопрос о реальности существования электрического поля на самом деле

очень важен, и до сих пор обсуждается. Его можно назвать философским или

даже метафизическим вопросом. В науке концепция существования

физического поля оказалась чрезвычайно важным и принципиально новым

достижением физики XIX в.

Магнитное поле есть составная часть электромагнитного взаимодействия,

создающая силу, перпендикулярную направлению движения заряженной

частицы. Векторная величина, образующая в пространстве поле с нулевой

дивергенцией (расхождения поля). При этом сила, действующая на

движущуюся в магнитном поле частицу, пропорциональна заряду частицы и

векторному произведению поля и скорости движения частицы. Магнитное поле

формируется движущимися электрическими зарядами, собственными

магнитными моментами частиц и изменяющимся электрическим полем.

Магнитное поле имеют звѐзды и планеты, наша планета Земля.

Электромагнитная индукция (лат. inductio – наведение) это возникновение

электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, находящемся в изменяющемся

магнитном поле. Английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) обнаружил,

что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводнике (контуре)

пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность,

ограниченную этим проводником. Величина ЭДС не зависит от того, что


39

является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или

движение проводника в неоднородном магнитном поле. Электрический ток

вызванный ЭДС называется индукционным током. Согласно закону

электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

ЭДС=dt

d .

ЭДС – электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного

контура, Ф – магнитный поток через поверхность, окружающую этот контур.

Знак минус в формуле отражает правило (или закон) Ленца, который определяет

направление индукционного тока. Этот закон открыл российский физик Эмилий

Христианович Ленц (1804-1865).

Уравнения Максвелла

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемый им

магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока.

Правило Ленца также является следствием закона сохранения энергии. Для

катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно

записать следующим образом:

ЭДС = – N dt

d,

где N – число витков катушки. В дифференциальной форме закон Фарадея для

вакуума можно записать в следующем виде:

trot o

HE .

Это уравнение есть одно из четырѐх основных уравнений электродинамики,

которые называются уравнения Максвелла. В современной физике они

являются основными уравнения классической электродинамики, описывающие

эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с электрическими

зарядами и токами. Эти уравнения являются основными (фундаментальными)

законами электродинамики, в 1864 г. их опубликовал британский физик

Джеймс Максвелл (1831-1879). Четыре уравнения Максвелла – это система

уравнений (формализованная теория), записываемая вместе с

соответствующими граничными и начальными условиями, является

фундаментальной теорией дедуктивного типа, аналогичная той которая была

создана в классической механике Ньютоном.

Для простоты изложения мы приведѐм эти уравнения в форме справедливой

только для пустого свободного пространства (вакуума), в той его части где

отсутствуют заряды и токи, а присутствуют только электрическое Е, и

магнитное Н, поля:

trot o

HE


40

trot o

EH ,

0Ediv ,

0Hdiv .

Несмотря на кажущуюся сложность этих уравнений, они просто

аналитически выражают всем известные принципы изменения возникновения

магнитного поля при изменении электрического, и возникновения

электрического поля при изменении магнитного. Попробуем их объяснить. div –

означает дивергенция или расхождение поля, а rot – ротор, означает вращение

поля. Первые два уравнения означают, что вращение поля Е ведѐт к изменению

во времени поля Н, производная по времени t

H

не равна нулю. Верно и

обратное, вращение поля Н ведѐт к изменению во времени поля Е, производная

по времени t

E

не равна нулю. Константы μо и εо – являются коэффициентами

пропорциональности, определяются экспериментально и являются мировыми

константами. Из этих уравнений следует постоянство скорости света, в 1865 г.

Максвелл получил величину равную 310740 км/c, что довольно близко к

современному значению.

Два других уравнения означают, что расхождение (дивергенция) полей

равно нулю. Т.е. если мы возьмѐм замкнутую сферу, то поле входящее в неѐ

будет равно полю выходящему из неѐ, при условии, что внутри этой сферы

отсутствуют электрические заряды. Заметим, что в вакууме это справедливо, а

магнитных зарядов в природе нет (науке не известно).

Несмотря на очевидные, наблюдаемые различия электрических и магнитных

полей, симметрия уравнений Максвелла наводит на мысль, что они лишь два

проявления одного и того же типа физических взаимодействий. Эта симметрия

становится ещѐ более явной в релятивистски-инвариантной (см. теория

относительности) четырѐхмерной (пространство-время) форме записи

уравнений Максвелла. Мы их рассматривать не будем. Как показывается в

квантовой теории поля, электромагнитные взаимодействия действительно

едины, поскольку описываются единым электромагнитным полем. Разделение

их на электрические и магнитные силы произошло из-за кажущихся отличий

полученных в классических экспериментах и зависит от выбора системы

отсчѐта.

Осознание единства электрического и магнитного полей произошло только в

XX в. и явилось первым примером объединения в теории поля (теории

фундаментальных взаимодействий). В настоящее время доказано, что

электромагнитное и слабое взаимодействия при высоких энергиях

объединяются в единое электрослабое взаимодействие.

Электромагнитное излучение Электромагнитные волны или электромагнитное излучение – есть

распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных

полей. Наиболее известным примером электромагнитного излучения является


41

свет. Скорость распространения электромагнитного излучения равна скорости

света с, которая может быть получена из двух констант уравнений Максвелла:

oo

c

1 .

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам, см.

Рис. 8 и 9. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда

перекрываются, а границы между ними определяются условно. Поскольку

скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний

жѐстко связана с длиной волны в вакууме. Ультракороткие радиоволны принято

разделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые.

Волны с длиной λ < 1 метра (частота ν > 300 МГц) принято также называть

микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

Рассмотрим особенности электромагнитного излучения различных

диапазонов. Электромагнитное излучение различных частот различается по

способу генерации и приѐма. Из-за больших значений распространение

радиоволн можно рассматривать без учѐта атомистического строения среды.

Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к

инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне редко сказываются и

квантовые (корпускулярные) свойства излучения.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам (антеннам)

переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в

пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике (антенны)

соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в

радиотехнике при конструировании антенн радио приѐмников и

радиопередатчиков.


42

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так

называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова.

Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих

участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для еѐ

исследования и разработанных главным образом при изучении видимого света

(линза, зеркало, призма, дифракционная решѐтка, интерференционные

приборы).

В оптической области спектра частоты уже перестают быть малыми по

сравнению с собственными частотами атомов и молекул, а длины волн

большими по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными

расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными

явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же

причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел

(инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения

атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения.

При определѐнном нагревании тело начинает светиться (см. Рис 7.) в видимом

диапазоне, сначала красным цветом, потом жѐлтым, потом белым, потом

бледно-голубым. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела

тепловое воздействие, нагревает их.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его

поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6-7 тыс. градусов и светит

ярко-жѐлтым светом. До такой же температуры (6000 градусов) нагрета мантия

Земли.

Именно потому, что человек сформировался возле такой звезды как Солнце,

этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно

воспринимается нашими органами чувств. Спектр видимого человеческим

глазом света близок к спектру излучения проходящим через атмосферу Земли.

Кроме тепла, источником и приѐмником оптического излучения могут

служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших

химических реакций, являющихся приѐмником оптического излучения,

используется в фотографии (потемнение серебра).

Другой известной фотохимической реакцией является фотосинтез (греч.

photos – свет, synthesis – соединение), превращение зелеными растениями и

фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию

химических связей органических веществ, происходит с участием

поглощающего свет пигмента (хлорофилл). Суммарное выражение

записывается следующей формулой:


43

.

Т.е. шесть молекул углекислоты и шесть молекул воды под действием света

преобразуются в одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. Благодаря

фотосинтезу несколько миллиардов лет назад в первых зеленых организмах в

атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия

для биологической эволюции.

Энергия кванта

В диапазонах рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают

квантовые свойства излучения (лат. quantum – сколько). Рентгеновское

излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов,

протонов), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных

оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов,

происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения

элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных

частиц.

Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть

определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что

энергия рентгеновских квантов лежит в пределах от 20 эВ до 1 МэВ, а энергия

гамма квантов больше 0,1 МэВ. Один эВ (электрон вольт) это энергия, которую

приобретѐт электрон пролетая в вакууме разность потенциалов в один вольт.

МэВ – мега электрон вольт, равен миллиону эВ, т.е. 106 эВ.

Квантовые свойства излучения проявляются при взаимодействии излучения

с веществом, в частности, испускание и поглощение излучения происходит

дискретными порциями.

Квантование – это термин квантовой механики, он означает изменение на

некоторое целое фиксированное число, или представление результатов в виде

дискретных (ступенчатых) значений координаты, импульса, энергии.

Энергия кванта электромагнитного излучения определяется выражением

E = hν,

где h = 6,63·10-34

Дж·с — постоянная Планка, ν – частота излучения. Легко

запомнить, что для длины волны λ = 1000 нм (1 микрон) энергия

соответствующего кванта составляет приблизительно один электрон-вольт (1,24

эВ). На красном конце видимого спектра формула даѐт 1,6 эВ, на фиолетовом –

3 эВ.

В современной физике электрический заряд тоже квантуется – изменяется

порциями кратными элементарному электрическому заряду. Электрический

заряд замкнутой системы сохраняется во времени. Закон сохранения заряда –

один из основополагающих законов физики.


44

ХИМИЯ

Роберт Бойль

Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном

превращении различных веществ. В первое время именно по составу

реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых

веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Для

того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют

свойства простых и сложных веществ, надо уметь различать простые и сложные

вещества, и потом, определить те элементы, от которых зависят их свойства.

Долгое время ученые считали, что металлы это

сложными вещества, а о химических элементах

существовали самые противоречивые

представления.

Итальянский живописец, скульптор,

архитектор, инженер Леонардо да Винчи (1452-

1519) предположил, что воздух не элемент, а

возможно состоит из двух различных газов.

Ирландский учѐный,

Роберт Бойль (1627-1691)

скептически отнѐсся к

теориям Аристотеля и

Парацельса. В 1661 г. он опубликовал

фундаментальную работу «Сомнения химика» (англ.

«The Skeptical Chymist»), в которой он отрицал

классические представления о составе элементов

(земля, воздух, огонь, вода) и взгляды средневековых

исследователей на состав (соль, сера, ртуть).

Вместо этого он выдвинул концепцию

«механической философии», которую можно считать

основой нашего сегодняшнего понимания химии. Бойль сформулировал первое

научное определение химического элемента – «простого тела», ввѐл в химию

экспериментальный метод и положил начало химическому анализу. С этого

момента химия начала вырастать в научную дисциплину оставляя позади свою

предшественницу алхимию, где в действительности и были еѐ корни

Кислород

Английский проповедник, и естествоиспытатель любитель (химик) Джозеф

Пристли (1733-1804), провѐл серию опытов, чтобы найти новые «воздухи».

Сегодня мы называем их газами. Пристли разработал методику работы с газами

– сбор газов над жидкостями в пробирке. Эти методы и созданные им

приспособления и инструменты используются и в наши дни.

Ртуть всегда была интересна для исследователей, это была и жидкость и

металл одновременно. В 1777 г. Пристли нагрел окись ртути, она превратилась

в ртуть и выделился какой-то газ. Это был кислород, Пристли сначала даже не

понял, что это такое. Он поехал за советом во Францию.

Французский химик, который считается одним из основоположников

современной химии, Антуан Лавуазье (1743-1794) очень заинтересовался

опытами Пристли. Лавуазье как раз работал над своим классическим курсом –

«Начальный учебник химии» (франц. «Traité élémentaire de chimie» 1789).


45

Лавуазье повторяет эксперимент Пристли и при

этом проводит взвешивание элементов (получает

количественные характеристики). Выделенный газ

он называет кислородом. После этого он

переписывает всю химию и создаѐт список

элементов (новая химическая номенклатура, лат.

nomenclatura – перечень, роспись имен), которыми

мы пользуемся и сегодня (кислород, водород, сера,

и др.) Лавуазье также является одним из

основателей термохимии.

Ни сам Р. Бойль, ни его сторонники не имели

ясного представления о «простом веществе» и

поэтому принимали за него по сути дела химическое соединение. Так,

например, железо, медь и другие известные в то время металлы они

рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их

прокаливании – за простое тело. Сегодня мы знаем, что окалина, или оксид

металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. это сложное

тело.

Ошибочное представление было навязано ученым господствовавшей в то

время ложной гипотезой флогистона, согласно которой сложные тела состоят из

соответствующего элемента и особого невесомого тела – флогистона. Эта

гипотеза была опровергнута А.Лавуазье после открытия кислорода и выявления

его роли в процессах окисления и горения. Он же первый предпринял попытку

систематизации открытых к тому времени химических элементов, хотя при этом

отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.).

Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его

время реакции разложения.

Атомы и молекулы В макромире мы меряем расстояния километрами, метрами, сантиметрами.

Эти величины антропоцентричны – соизмеримы с нами, с нашим зрением, с

нашими возможностями. В микромире это совсем не так. Древние греки имели

знания только о макромире и они считали, что есть всего четыре элемента:

земля, воздух, огонь, вода. Единственный элемент Вода входит в состав всего на

Земле. Всѐ состоит из атомов – неделимых частиц (греч. atomos – неделимый).

Древнегреческий философ Демокрит из г. Абдера является одним из

основателей античной атомистики.

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что

считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение

постоянным или переменным составом? В начале XIX в. (1800-1808) по этим

вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими

химиками Жозефом Прустом (1754-1826) и Клодом Бертолле (1748-1822).

Пруст считал, что любое химической соединение должно обладать вполне

определенным, неизменным составом, и это свое убеждение сформулировал в

виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав

отличает химические соединения от смесей.

В начале XIX В. английский школьный учитель, который занимался химией

и физикой, Джон Дальтон (1766-1844) провѐл ряд химических опытов. Они

показали, что кислород, водород и углерод соединяются только в определѐнных

и постоянных пропорциях. Таким образом в 1803 г. с позиций атомно-


46

молекулярного учения Дальтон установил закон кратных отношений, закон

постоянства состава. Вслед за древними греками он назвал их атомами. Он

предположил, что всякое индивидуальное вещество – простое или сложное –

состоит из мельчайших частичек с определѐнным весом – молекул, которые в

свою очередь образованы из атомов. Позже он назвал это атомный вес, т.е ввѐл

в науку это понятие, и первым определил атомные веса (массы) ряда элементов.

В своей книге «Новая система химической философии» (англ. «New system of

chemical philosophy») он создал атомистическую теорию, определившую связь

между атомами и химическими элементами. Атомные веса принадлежат

невидимому глазу микромиру, но они соотносятся с весами химических

элементов в макроскопических количествах. Последние можно взвесить

пользуясь обычными макроскопическими весами.

Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими

свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как

кислород О2, образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами,

которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или

химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают

свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода Н2О

представляет собой жидкость, а образована она из двух газов – водорода и

кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое

химическое соединение ни были бы получены, они всегда будут иметь тот же

самый состав.

В начале XIX в. подтвердилось, что атомы группируются в молекулы.

Французский химик и физик Жозеф Гей-Люссак (1778-1850) смешивал газы и

получал объѐмы в два раза большие чем первоначальные объѐмы газов. В 1811

г. объяснение этому явлению дал итальянский физик и химик Амедео Авогадро

(1776-1856), проф. физики Туринского университета. Он проанализировал

результаты опытов Гей-Люссака и пришѐл к выводу, что газы состоят не из

атомов а из «скоплений атомов», позже названных молекулами. Сейчас это

предположение называется – гипотеза молекулярного строения вещества. Стало

понятно, что атомы могут группироваться (объединяться) в молекулы.

Было бы неправильно не учитывать обьѐмной и длительной

экспериментальной исследовательской работы, которая привела к утверждению

системного взгляда на химические элементы и соединения. С первых шагов

химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых

веществ и соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые

впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов,

раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный

период в истории химии, начиная от гипотезы Р.Бойля и кончая современными

представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е.

атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот

первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных

свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их

элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с концепцией атомизма.

Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с

помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных

веществ.

Соединения переменного состава


47

Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной

истиной, не допускающей никаких исключений, хотя французский химик Клод

Бертолле (1748-1822) указывал на существование соединении переменного

состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более

убедительные доказательства существования химических соединений

переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика

(физхимика) Николая Семеновича Курнакова (1860-1941), которые он назвал

бертоллидами в честь Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых

зависит от способа их получения, например, соединения таких двух металлов,

как марганец и медь, магний и серебро и др. Со временем химики открыли

другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они

отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают

молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с

точки зрения современных научных представлений о строении атомов и

молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава

химических соединений являются внешней их характеристикой и сами

нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ показывает, что природа

соединения, т, е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их

химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных

электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы,

хотя основное его содержание сохранилось: молекулой по-прежнему называют

наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может

существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также

разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные

монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы).

Таким образом, в современной науке исчезает не только прежнее резкое

противопоставление химических соединений постоянного состава как

обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава,

лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со

сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе

соединение может состоять и из одного элемента.

Синтез органических веществ

До XIX в. считалось, что химические элементы составляющие живую

(органические вещества) и неживую (неорганические вещества) природу

отличаются друг от друга. В 1824 г. немецкий химик Фридрих Вѐлер (1800-

1882) поместил в пробирку два неорганических вещества: цианид калия и

сульфат аммония. Он получил примерно один грамм белых игольчатых

кристаллов, это было органическое вещество. В 1928 г. Вѐлер показал его

тождественость с мочевиной CO(NH2)2, которая раньше получалась только при

реакциях органических веществ. Позже Вѐлер напишет: «я получил мочевину

без почки». Это поставило под сомнение правоту концепции витализма (лат.

vitalis – жизненный). Позже было подтверждено, что кирпичиками всей материи

(живой и неживой) являются одни и те же элементы.

Структура вещества, химические системы

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и

строения еѐ элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое

взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы.

Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной


48

способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур.

Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о

химической структуре веществ. Хотя разные исследователи по-разному

истолковывали характер взаимодействия между элементами химических

систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем

определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между

их элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом

молекула и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в

виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами

представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались,

уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений

отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью

систематических химических экспериментов.

Известный шведский химик и минеролог

Йенс Берцелиус (1779-1848) считал, что структура

молекулы возникает благодаря взаимодействию

разноименно заряженных атомов или атомных

групп. На этой основе в 1812-1819 гг. он создал

электрохимическую теорию химического сродства,

на ее основе построил классификацию элементов,

соединений и минералов. Берцелиус также

определил атомные массы 45 химических

элементов, в 1814 г. ввѐл знаки элементов,

которыми пользуемся по настоящее время.

Французский химик Шарль Жерар (1816-1856)

справедливо указывал на весьма ограниченный характер концепции Берцелиуса.

В противовес ей он подчеркивал, что при образовании структур различные

атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг

друга, так что в результате возникает определенная целостность или, как мы

сказали бы теперь, система. В 1842 г. он разграничил понятия молекулы,

эквивалента и атома. В 1851 г. он предложил обобщенную теорию типов,

согласно которой все соединения можно рассматривать как производные

водорода, хлористого водорода, воды и аммиака. Однако эти общие и в целом

правильные представления не содержали практических указаний, как

применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ

с заранее заданными свойствами.

Следующий шаг в раскрытии структуры молекул и синтеза новых веществ

предпринял известный немецкий химик- -1896).

Было известно, что ядовитые натрий и хлор соединялись в определѐнных

фиксированных пропорциях и образовывали хлористый натрий NaCl, обычную

поваренную (столовую) соль. Август Кекуле попытался объяснить как

фиксированные пропорции могут влиять на расположение атомов в

пространстве. Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента

или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные

формулы, которыми с определенными модификациями до сих пор

используются при изучении органической химии. В этих формулах элементы

связывались друг с другом по числу единиц их сродства или валентности.

Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности,

можно прогнозировать получение различных химических соединений в


49

зависимости от исходных реагентов. В результате Кекуле создал систему

визуализации химической структуры различных молекул (визуализация

микромира). Он обозначал атомы их символами, и добавил чѐрточки между

ними. Чѐрточки, подобно звеньям цепи, показывали как атомы связаны друг с

другом.

Все молекулы с которыми работал Кекуле выстраивались в определѐнную

структуру, однако бензол (benzene), состоящий из шести атомов углерода и

шести атомов водорода не подходил под его систему строения химических

соединений. Для существующих атомов углерода и водорода требовалось

больше связующих элементов, чем позволяла предложенная система. Многие

исследователи пытались это объяснить, но не смогли.

Известно, что Кекуле приснилась змея, кусающая

свой хвост, и после этого он решил, что только кольцо

может быть решением данной задачи. В 1865 г. он

предложил циклическую структуру бензола. 6 атомов

углерода и 6 атомов водорода – С6Н6, были соединены

по кругу простыми и двойными химическими связями.

Началась современная эра органической химии. Эта

структура стала рецептом для создания новых,

искусственно синтезируемых препаратов. Таким

путем можно было управлять процессом синтеза

различных веществ с заданными свойствами, а именно

это составляет важнейшую задачу химической науки. Во времена Дальтона

было известно около 200 химических соединений. Сегодня официально

зарегистрировано около 15 миллионов новых соединений построенных по этой

кольцевой схеме.

Следующий шаг в развитии понятия

химической структуры связан с теорией

химического строения, которую предложил русский

химик-органик Александр Михайлович Бутлеров

(1828-1886), который, хотя и признавал, что

образование новых молекул из атомов происходит

за счет их химического сродства, но обращал

особое внимание на степень напряжения или

энергии, с которой они связываются друг с другом.

Именно поэтому его новые идеи нашли не только

широкое применение в практике химического

синтеза, но и впоследствии получили свое

обоснование в квантовой механике.

Исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ

есть серьѐзный шаг в развитии химии, его можно назвать следующим

концептуальным уровнем познания химических свойств. Эксперимент и

производственная практика убедительно доказывали, что свойства полученных

в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и

от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Именно

поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо

было учитывать их структуру, т.е. характер взаимодействия составных

элементов вещества.

Следующий уровень познания представляет собой исследование внутренних

механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как


50

температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все

эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем

получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для промышленного

производства. Следующий шаг связан с более глубоким изучением природы

реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением

катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом

уровне мы встречаемся с простейшими явлениями самоорганизации,

изучаемыми синергетикой.

Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких

элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия

химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р.Бойлем элемента

как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы

непосредственно со свойствами и качествами веществ не достигали этой цели.

Таблица Менделеева

Постепенно химики открывали все новые и

новые химические элементы, описывали их

свойства и реакционную способность и благодаря

этому накопили огромный эмпирический материал,

который необходимо было привести в

определенную систему. Такие системы

предлагались разными учеными, но были весьма

несовершенными потому, что в качестве

системообразующего фактора брались

несущественные, второстепенные и даже чисто

внешние признаки элементов.


51

В 1869 г. русский профессор химии Петербургского университета, учѐный и

педагог Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) писал учебник по химии для

своих студентов («Основы химии», части 1-2 изданы в 1869-1871, полностью

издана в 1947 г.) Он думал как понятней объяснить разнообразие известных на

то время 63-х химических элементов. Каждый элемент он написал на отдельной

карточке, и указал его атомную массу, сходства и различия с другими

элементами. Менделеев стал раскладывать этот пасьянс и искать систему.

Получилось семь столбцов схожих по химическим и физическим свойствам.

Три элемента отсутствовали в созданной им карте. Менделеев пошѐл дальше, он

предсказал, что один отсутствующий в таблице элемент может быть открыт

позже и он будет похож на бор, другой элемент будет похож на алюминий,

третий – на кремний. Позже были открыты скандий – Sc, галлий – Ga и

германий – Ge, соответственно. Впоследствии и другие пустые клетки новой

системы были заполнены.

В упомянутом учебнике Менделеев дал первое стройное изложение

неорганической химии. Он также является автором фундаментальных

исследований по химии, химической технологии, физике, метрологии,

сельскому хозяйству, заложил основы теории растворов, предложил

промышленный способ фракционного разделения нефти, пропагандировал

использование минеральных удобрений, орошение засушливых земель, изобрел

вид бездымного пороха. Менделеев был одним из инициаторов создания

Русского химического общества (1868), ныне носящего его имя.

Заслуга Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он

заложил фундамент для построения научной системы химических знаний. В

качестве системного фактора он выбрал количественную характеристику –

атомную массу (атомный вес). В соответствии с ним и были расположены

химические элементы в систему. Было показано, что их свойства находятся в

периодической зависимости от атомного веса. Более того, Менделеев

предсказал существование неизвестных в то время элементов, оставив для них

пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты,

благодаря этому именно его периодическая система получила широкое

признание в научном мире.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических

элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра.

Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов

находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра

Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы,

располагаются по возрастанию заряда Z (H, He, Li, Be...) и образуют 7 периодов.

В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от

щелочных металлов к благородным газам. Вертикальные столбцы – группы

элементов, сходных по свойствам. Внутри групп свойства элементов также

изменяются закономерно.

Впоследствии выяснилось, что томный вес является средним

арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент.

Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый

заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема

химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом

многочисленных дискуссий. В настоящее время химическим элементом

называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра,


52

хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не

выражаются целыми числами.

Имя Менделеева было вписано в его таблицу, элемент с номером 101

называется Менделевий, Рис. 16.

На сегодняшний день известно 111 химических элементов, но исследования

в этом направлении продолжаются. В конце Мая 2006 г. в Международном

центре ядерных исследований (ОИЯИ – Объединѐнный институт ядерных

исследований) в г. Дубна под Москвой, в лаборатории с названием «Маша», в

группе которой руководит Юрий Ованесян был получен 112-й элемент

периодической системы. Исследователи из этой группы утверждают, что это

демонстрирует работоспособность предложенного ими нового метода синтеза

новых элементов и прогнозируют скорое получение следующих элементов

вплоть до 116-го.

Отметим, что заграницей Таблицу Менделеева предпочитают называть:

Периодическая система химических элементов, или просто Периодическая

система. Американский физхимик, лауреат Нобелевской премии по химии 1981

г., Роалд Хофман (род. 1937) считает, что периодичность свойств химических

элементов была хорошо известна химикам и до работы Менделеева. По мнению

Хофмана, немецкий химик Лоттер Майер пришѐл к тем же выводам раньше, но

не осмелился об этом объявить. Л.Майер побоялся опубликовать предсказание о

возможном существовании новых элементов.


53

На самом деле такая ситуация существует всегда. Общепризнано, что наука

развивается шаг за шагом, какой шаг считать достаточно большим и важным,

чтобы назвать его открытием или переворотом – вопрос субъективный. Всегда

можно поставить под сомнение значимость именно этого шага в исследовании

какой либо научной проблемы. Всегда можно найти фразу, гипотезу,

концепцию, которая была сформулирована намного раньше и совпадает с тем,

что открыто сегодня, над чем долгое время и безуспешно работали сотни и

тысячи специалистов выдвигая различные варианты решения проблемы. К

этому добавляется «политический» контекст соревнования различных стран,

институтов, исследовательских групп за первенство в той или иной области

науки и техники.

Электрохимия

Электричество изменяет вещества и имеет биологическое действие.

Итальянский анатом и физиолог один из основателей учения об электричестве

Луиджи Гальвани (1737-1798) первым исследовал электрические явления при

мышечном сокращении – «животное электричество». Гальвани обнаружил

возникновение разности потенциалов при контакте металла с электролитом, это

привело к созданию гальванических элементов – химических источников тока, в

которых электрическая энергия вырабатывается в результате прямого

преобразования химической энергии окислительно-восстановительной

реакцией.

Английский физик и химик самоучка Хамфри Дэви (1778-1829) увлекался

электрическими элементами (батареи). В 1807 г. он проводил опыт с

электрической батареей, он растворил поташ (карбонат калия K2CO3) в воде. К

этому раствору Дэви приложил два контакта с электрическим током. Как

результат, из раствора начал выделяться калий. Таким образом впервые было

получено химическое действие электричества. Впоследствии посредством

электролиза Дэви получил натрий – Na, кальций – Ca, стронций – Sr, барий –

Ba, магний – Mg, литий – Li, а также водород – О и кислород – Н были

выделены из воды – Н2О. Х.Дэви по праву считается одним из основателей

электрохимии. Она впоследствии привела к развитию гальванотехники,

созданию аккумуляторов, появлению алюминиевой промышленности.

В 1833-34 М.Фарадей эмпирически (экспериментально) установил основные

количественные законы электролиза (законы фарадея), согласно которым массы

m превращенных веществ пропорциональны количеству прошедшего через

электролит электричества q (1-й закон) и химическому эквиваленту A вещества

(2-й закон). Математически могут записаны в виде одного уравнения:

m = (A/F)q – kq,

где F - постоянная Фарадея, k = A/F – электрохимический эквивалент.

В начале XX в. американский физхимик Гилбер Льюис (1875-1946), создал

модель атома. В своей книге «Валентность и структура атомов и молекул»

(англ. «Valence And Structure of Atoms and Molecules» 1916 г.) он показал, что в

химических связях участвуют не ядра а электроны, которые образуют оболочку

вокруг ядра. Поваренная соль – хлористый натрий образуется когда один

электрон внешнего слоя атома натрия отдаѐт один электрон внешнему слою

атома хлора, образуется химическая связь – молекула NaCl.


54

Искусственные полимеры

В 1860-х печатник и химик любитель Джон Хайет из США стал известным

открыв способ соединять длинные нитевидные молекулы целлюлозы растений,

он создал первую пластмассу (пластическая масса, или пластик). Через 50 лет

бельгийский химик Лео Бакеланд создал полимер бакелит (резольная смола –

резол). Бакеланд получил первый в мире полностью синтетический пластик.

Пластмассы это полимеры – длинные цепные молекулы, которые составляют

прочные, но очень пластичные субстанции. Нейлон, вискоза, полиэтилен,

плексиглас – это цепи атомов углерода, иногда с примесями других элементов.

Полимеры не уступают, а часто и превосходят натуральные волокна. Раньше

рыбацкие сети делали из нитей хлопка, очевидно, что современная леска (из

нейлон) намного прочней и долговечней натуральных материалов. Можно

сказать, что XX в. стал веком пластмасс.

Следующий шаг в развитии искусственных

полимеров был сделан в конце XX в. Профессор

университета Райса (г. Хьюстон, США) Ричард

Смолли (р.1943) и его коллеги Роберт Кѐрл (р.1933)

сэр Гарольд Крото (р.1939) в 1985 г. изучали

химические свойства межзвѐздной материи, но

обнаружили нечто совсем новое и далѐкое от космоса.

Они открыли удивительно стабильную структуру из

60 атомов углерода – С60 – размером около 1-го

нанометра (10-9

м) – наошарик (Нобелевская премия 1996 г.) Этот наношарик

они назвали «шар баки» или «фуллерен», в честь американского архитектора и

инженера Бакминстера Фуллера (1895-1983), который разработал и построил

лѐгкие и прочные «геодезические купола» – пространственные стальные

конструкции из прямых стержней. Их можно найти в разных странах, один из

таких проектов был реализован в 1959 г. в Москве – выставочный павильон в

Сокольниках.

Эта наноструктура была обусловлена не просто химическими связями, она

оказалась чрезвычайно прочной, устойчивой, симметричной и законченной

структурой из 60-ти атомов углерода, не больше и не меньше.

В 1991 Сумио Ридзима из Японской фирмы

NEC (Японская электрическая компания) сумел

растянуть такие структуры, он открыл углеродные

трубки (трубки Баки). Диаметр нанотрубки

остался прежний (1 нм, тоньше чем цепочка

ДНК), но еѐ длина теперь может меняться и быть

в миллионы раз длиннее своего диаметра.

Оказлось, что наношарики и нанотрубки

самые прочные вещества во Вселенной. На

растяжение они в 100 раз прочнее стали.

Углеродные нанотрубки самое прочное волокно

которое в принципе можно получить, и состоят

они из обычного углерода (сажа, уголь, графит,

пластмассы).

До конца не ясно откуда возникает такая прочность, но учѐные

предсказывают этим материалам большое будущее. Из них можно делать

кабели, проводящие электричество лучше меди и в 6 раз легче. Возникает новая

наука – нанохимия, на основе которой развиваются нанотехнологии. Сегодня


55

можно реализовать построение (самосборку) на наноуровне различных

объектов. Например реализация нанодвигателя, которй может собираться сам

внутри любых структур, даже живых организмов.

Человек получил возможность манипулировать атомами и молекулами,

также как и живая природа строит свои макромолекулы. Можно сказать что

фуллерены это вид сажи, один грамм которого стоит в 30 раз дороже золота.


56

ФИЗИКА МИКРОМИРА

Структурные уровни материи

Науки, изучающие материю на различных уровнях еѐ организации, условно

можно разделить соотносительно размерам изучаемых ими объектов:

микромир (10-15

– 10-7

м), макромир (10-6

– 107 м) и мегамир (10

8 – 10

28 м).

микромир

Физика 10-15

– 10-10

м (элементарные частицы)

Химия 10-10

– 10-4

м (атомы, простые молекулы)

макромир

Вирусология 10-6

– 10-5

м (вирусы)

Микробиология 10-3

м (макромолекулы, ДНК)

Биология 1 – 10 м (человек, животные)

Геология 104 – 10

8 м (Земля)

мегамир

Астрономия 108 – 10

14 м (Солнечная система)

Астрономия 1015

– 1021

м (Галактика, Млечный путь)

Астрономия 1022

– 1028

м (Вселенная)

Современная физика и химия занимается изучением микромира. Биология и

геология изучает объекты макромира размерами лежащими в пределах 10-3

– 107

м. Всѐ что больше этих размеров относиться к мегамиру. Во многом такой

подход антропоцентричен (греч. anthropos – человек; лат. centrum – центр

круга), и границы данного деления довольно условны. Однако, он очевидно

связан с делением наук на классическую теорию (физику, химию, биологию),

квантовую теорию (квантовую физику, квантовую химию, квантовую

статистику), общую теорию относительности (ОТО).

Теория относительности состоит из и специальной теории относительности

(СТО) (изначально относили к микрошкале) и общей теории относительности

(ОТО) (изначально относили к мегашкале). Современная наука рассматривает

теорию относительности как соединение микро- и мегамиров.

Только в случае изучения макромира, даже при исследовании объектов с

размерами до нескольких микрон (10-6

м), мы можем говорить о наглядных и

наблюдаемых объектах. Теоретические представления, в этом случае, не сильно

отрываются от классических, наблюдаемых невооружѐнным или вооружѐнным

(в микроскоп или в телескоп) глазом. Классическая теория (классическая

механика и классическая физика) описана выше, однако новые открытия конца

XIX, начала XX веков заставили переосмыслить многие еѐ положения.

Исследование объектов с размерами меньше микрона означают, что в

принципе невозможно использовать оптическое излучение (даже при помощи

оптического микроскопа) для наблюдений или фотографирования. Длина волны

оптического излучения порядка 0.5 микрона. При помощи оптических приборов

возможно рассмотреть предметы только порядка этой величины или больше.

Для того, чтобы исследовать более мелкие структуры необходимо использовать

источники с меньшими длинами волн, в соответствии с Рис. 8 и 9 это может

быть рентгеновское излучение.


57

Ттретья научная революция

Говоря микромир, мы имеем в виду размеры меньшие длин видимых

световых волн – от 0.4 до 0.7 микрон (0.4·10-6

- 0.7·10-6

м). Это означает, в

оптический микроскоп теоретически невозможно разглядеть объекты меньше

10-6

- 10-7

м. На практике эта цифра обычно на один, два порядка (в 10 - 100 раз)

больше. Явления связанные с исследованием микромира стало возможным

объяснить только при помощи новых революционных идеи – сегодня это

называют третьей научной революцией.

Вернѐмся к спектру излучения нагретого до определѐнной температуры

тела, Рис. 7. Этот спектр моделируется излучением объекта называемого –

абсолютно чѐрное тело. Исследование излучения нагретых тел методами

классической термодинамики не давали удовлетворительного соответствия с

экспериментом. Энергия и спектр нагретого до определѐнной температуры тела

был конечен, однако классическая теория давала бесконечные значения энергии

на коротких длинах волн. Макс Планк предложил фантастическую по тем

временам гипотезу квантования энергии. Он предположил, что энергия

излучается не непрерывно, а отдельными порциями, квантами. Концепция

излучения абсолютно чѐрного тела (нагретого тела) была сформулирована к

1860 г. но только немецкий физик Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. смог

построить теорию, которая совпадала с экспериментальными наблюдениями и

объяснить конечность энергии излучения абсолютно чѐрного тела.

Планк предложил концепцию, в которой энергия излучения меняется не

непрерывно, а дискретно, некоторыми порциями – квантами. Квант или фотон

это минимальная порция или частичка энергии:

hνE .

Здесь ν – это частота излучения определѐнной части спектра, h – некая

константа. Впоследствии еѐ назвали постоянная Планка, новая физическая

константа, которая является универсальной постоянной наряду с

гравитационной постоянной γ, скоростью света с и постоянной Больцмана k.

Решение данной конкретной задачи – теоретического описания

(моделирования) спектра излучения нагретого тела, привело к серьѐзным

последствиям во всей науке. По-новому решалась проблема природы света. На

протяжении столетий существовало две концепции.

Первая – это корпускулярная концепция принадлежит И.Ньютону, он

считал, что свет распространяется частицами (корпускулами, лат. corpusculum –


58

тельце), которые попадают в глаз и являются причиной зрения. Ньютон

раскладывал пучок белого света на различные цвета одной призмой и потом

собирал его другой призмой, опять получался белый цвет (Рис.10).

Вторая концепция формулировала волновую

природу, еѐ придерживался английский учѐный

Томас Юнг (1773-1829). В 1801 г. он

сформулировал принцип интерференции

(наложение, сложение) волн, Рис. 11.

До конца XIX в. считалось, что свет есть

колебания некой вездесущей и всепроникающей

субстанции – мирового эфира. Эйнштейн считал,

что обе эти концепции справедливы, это

называется дуализм. Нечто, явление которое мы

называем светом в одних экспериментальных

условиях проявляет себя как волна, в других как

частица.

Если свет имеет волновую природу, то он как и все волны (например на

поверхности воды) должен распространяться в некой среде, мировом эфир.

Альберт Майкельсон (1852-1931) решил рассмотреть следующий вопрос, если

мировой эфир существует, то скорость распространения света вдоль движения

Земли и поперѐк этого движения должна быть различной. Такая концепция

аналогична исследованию свойствам распространения звука если наблюдатель

исследует его свойства двигаясь вдоль или поперѐк направления его

распространения. Звук может распространяться только в некой среде – воздухе,

воде, металле. В отсутствии среды, в вакууме звук распространяться не может.

Опыт Майкельсона, поставленный им в 1881 г. с точностью большей чем

скорость движения Земли, показали, что свет распространяется с одинаковой

скоростью в двух перпендикулярных направлениях, см. Рис. 12. Из этого был

сделан вывод, что мирового эфира не существует. Со временем науке пришлось

отказаться от этой концепции, но тогда опять встал вопрос о природе света –

свет это корпускула (частица) или волна.

В рамках квантовой механики была предложена концепция корпускулярно-

волнового дуализма. Исследователи стали больше внимания уделять


59

результатам полученным на практике и было показано, что в одних

экспериментах свет ведѐт себя как волна, а в других как частица. В 1924 г.

французский физик Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул предположение, о том

что любая микрочастица имеет волновые свойства с длиной волны

определяемой следующим образом:

m

h

p

h ,

где h – это постоянная Планка, p, m, υ – импульс, масса и скорость частицы,

соответственно. С другой стороны любой волне можно приписать

корпускулярные свойства и определить массу еѐ кванта:

hm .

Эта концепция и называется корпускулярно-волновой дуализм. С точки зрения

классической физики это выглядит довольно противоречиво. Однако, с точки

зрения соответствия наблюдениям и количественно полученным данным, этот

подход был вполне результативным и господствует в науке до наших дней.

Объясняя возможность корпускулярно-волнового дуализма, исследователи

приводят такой пример: «двое слепых подошли к слону, один взял его за хвост и

сказал, что слон похож на змею, другой пощупал его ногу и сказал, что слон

похож на дерево».

Надо признать, что таким же образом изучается микромир. Эксперименты

проводятся в буквальном смысле вслепую, в определѐнных условиях одного

эксперимента исследуются одни стороны микрообъекта, в других условиях

исследуются другие. Сейчас нельзя сказать, что до конца создана единая теория

микромира. Возможно, при открытии новых свойств квантов

электромагнитного излучения их удастся объединить с корпускулярно-

волновой теорией и получить новую, более общую теорию.


60


61

Принцип неопределѐнности

Исследуя свойства микромира учѐные обнаружили, что чем точнее

определяется координата частицы x, т.е. чем меньше ошибка в еѐ определении –

Δx, тем больше ошибка Δp в определении импульса частицы, или еѐ скорости υ,

так как импульс определяется также как и в классической механике:

p=mυ.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901-

1976) сформулировал принцип, который отражает

корпускулярно-волновую природу микрообъектов.

Он называется принцип неопределѐнности:

физические величины, например координата и

импульс, не могут одновременно принимать

точные значения (быть точно измерены).

В 1927 г. Гейзенберг сформулировал

математическое соотношение неопределѐнностей,

описывающее такое поведение:

4

hxp .

Пусть h/(4π) = const – константа, постоянная величина и для самого

благоприятного случая (вместо знака больше или равно поставим знак

равенства) получим:

p

constx

.

Следовательно, чем точнее ставиться эксперимент по определению импульса

или скорости частицы, тем больше ошибка в определении еѐ координаты, т.е.

места нахождения. Аналогичное утверждение справедливо и для энергии ΔЕ и

времени Δt:

2

htE .

Из предыдущих двух формул непосредственно

вытекает, сформулированный датским физиком

Нильсом Бором (1885-1962), принцип

дополнительности: при экспериментальном

исследовании микрообъекта могут быть получены

точные данные либо о его энергиях и импульсах

(энергетически-импульсная картина), либо о

поведении объекта в пространстве и времени

(пространственно-временная картина). Эти две

картины (энергетически-импульсная и

пространственно-временная), исследуемые в

эксперименте, дополняют друг друга.

Такой подход физики микромира впервые характеризует влияние

измерительного прибора на состояние микрообъекта. Н.Бор считал, что это


62

связано не с субъектом или прибором, который измеряет те или иные

характеристики, а с природой объективно присущей микромиру.

Из вышеизложенного следует, чем меньше размер изучаемой частицы, тем

точнее должен быть метод исследования, меньше Δx и больше сам прибор.

Получается, что больше должен быть импульс р и, следовательно, выше должна

быть скорость рассеиваемых или сталкиваемых друг с другом частиц. Именно

поэтому для изучения микрочастиц вместо привычных классических приборов

разработали новые системы исследования. В них разгоняют микрочастицы до

скоростей сравнимых со скоростями света – чем выше скорости (выше энергии),

тем мельче частицы можно исследовать. Эти системы, для изучения микромира,

получились довольно дорогие (сотрудничают несколько стран) и большие

(размерами с футбольное поле), их называют – ускорители.

Волновая механика

Австрийский физик-теоретик Эрвин Шрѐдингер

(1887-1961) сформулировал основное уравнение

волновой квантовой механики, которая изучает

частицы движущиеся со скоростями малыми по

сравнению со скоростью света (нерелятивистская

квантовая механика). Это уравнение заменило

систему уравнений и принципов классической

механики господствующих около двухсот лет.

Поведение микрочастицы с массой m описывается

волновой функцией ψ (читается «пси»). Все

микрочастицы (электроны, позитроны, протоны,

нейтроны...) находятся под действием сил, которые

описываются потенциалом физического поля U. Основное уравнение волновой

(квантовой) механики выглядит так:

),,,(2

)2/()2/(

2

tzyxUm

h

tih

.

Здесь h – постоянная Планка, i = 1 – мнимая единица, z, y, z – координаты

пространства, t – время.

Это уравнение Шрѐдингер сформулировал в 1926 г, этот же год считается

годом рождения волновой механики. Уравнение Шрѐдингера позволяет

определить возможные состояние системы нескольких микрочастиц (ансамбля

частиц). Решением уравнения является ряд волновых функции ψn, которые

соответствуют определѐнным уровням энергии, Еn, исследуемой системы. Эти

фиксированные, дискретные уровни энергии соответствуют дискретной,

квантовой природе микромира. Выбранная для исследования квантовая система

может находиться в любом из этих состояний с некоторой вероятностью,

определяемой квадратом волновой функции – ψ2.

Уравнение Шрѐдингера похоже на волновые уравнения классической

механики. Решения также схожи с решениями из классического раздела физики

– колебания и волны, Рис. 13. Например уравнение струны закреплѐнной с двух

сторон даѐт решения в виде стоячих волн. Струна может колебаться

несколькими различными способами. С появлением одного полупериода волны

(Е1 – 1/2) с одним максимумом в центре. С появлением периода волны (Е2 – 2/2)


63

с двумя максимумами и с одним незакреплѐнным но неподвижным центром

находящимся в центре, с тремя полупериодами волны (Е3 – 3/2) с тремя

максимумами и с двумя неподвижными точками, и так далее n/2 периода волн.

Таким образом, в волновой механике состояние частицы полностью

определяется еѐ волновой функцией ψ. С определѐнной вероятностью Р ~ ψ2

частица может находиться в любой точке пространства в которой отлична от

нуля еѐ волновая функция. В описанном решении в максимумах полученных

решений волнового уравнения вероятность отлична от нуля, в узлах стоячих

волн вероятность равна нулю. Если для случая Е = Е2 вдоль оси ординат

(энергия – Е) мы расположим перегородку, то получится, что электрон

одновременно (с определѐнной вероятностью) может находиться и слева и

справа от неѐ.

Во второй половине XX в. была создана квантовая теория поля (КТП) –

раздел физики, изучающий поведение релятивистских (движущихся со

скоростями близкими к скорости света) микрочастиц. Математический аппарат

КТП достаточно сложен и мы оставим его за рамками данного пособия. В

отличие от квантовой механики, частицы как некие неуничтожимые

элементарные объекты здесь отсутствуют. Вместо этого основные физические

объекты описываются векторами пространства, которые описывают

всевозможные возбуждения квантового поля. Аналогом квантово-механической

волновой функции в КТП является оператор (лат. operator – действующий) поля.

Физическое поле способно действовать на вакуум (вакуумный вектор) и

порождать одночастичные возбуждения квантового поля. Физическим

наблюдаемым объектам здесь также соответствуют операторы, составленные из

полевых операторов.

Квантовая теория поля оказалась единственной на сегодняшний день

теорией, способной описать, а главное предсказать поведение элементарных

частиц при высоких энергиях, т.е. при энергиях, существенно превышающих их

энергию покоя. Именно на квантовой теории поля базируется вся современная

физика элементарных частиц.

Е1

Е2

Е3

X

Е

U

Рисунок 13.

Решения волнового уравнения

Шрѐдингера для одномерного случая и

трѐх значений энергии Еn. Серым

цветом обозначены распределения

вероятности нахождения микрочастицы

в определѐнной точке пространства с

координатой X.


64

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Преобразования Лоренца

В рамках классической механики мы рассматривали принцип

относительности Галилея. В конце XIX, начале XX века выяснилось, что

принцип относительности справедлив в других разделах физики: в оптике и в

электродинамике. Его можно выразить через координаты пространства и время.

В классической физике, при переходе из одной системы координат в другую,

движущуюся относительно первой, координата x’=x+Vt. При этом, длина тела l

не меняется, время тоже остаѐтся постоянным.

В соответствии с доказанным постоянством скорости света и

независимостью от движения систем отсчѐта, эти очевидные представления

пришлось менять. Учитывая то, что с=const, переход от одной инерциальной

системы отсчѐта к другой инерциальной должен меняться. Он должен был

осуществляться в соответствии с преобразованиями, которые сформулировал

нидерландский физик Хендрик Лоренц (1853-1928):

2

2

1'c

Vll ,

где l’ – длина тела в системе координат

движущейся со скоростью V по отношению к

покоящейся системе, l – длина тела в покоящейся

системе. Т.е. длина тела должна меняться в

зависимости от системы отсчѐта, от системы в

которой находился наблюдатель. Это следовало из

постоянства скорости света и независимости еѐ от

системы координат.

Время тоже менялось:

2

2

1

'

c

V

tt

,

где t’ – время в системе координат движущейся со скоростью V относительно

покоящейся системы, t – время в покоящейся системе.

Постоянство скорости света oo

c

1 , которое уже следовало из

электромагнитной теории, формализованной в четырѐх уравнениях Максвелла,

и из экспериментов Майкельсона, приводило к парадоксу который не мог быть

разрешѐн в рамках классических взглядов. Этот парадокс сам Лоренц в рамках

классической физики XIX в. разрешить так и не смог, однако он близко

подошѐл к созданию пониманию относительности и преобразования Лоренца

составляют основу теории относительности. В 1902 г. Х.Лоренц был удостоен

Нобелевской премии по физике.

Специальная теория относительности

Немецкий физикк Альберт Эйнштейн (1879-1955) после окончания

университета работал служащим (экспертом) Швейцарского патентного бюро в

Берне. В 1905 г. он опубликовал пять статей, название одной из них: «Об


65

электродинамике движущихся тел» (англ. «On the

Electrodynamics of Moving Bodies»), в которой и

был сформулирован новый подход – Специальная

теория относительности (СТО). В 1921 г.

А.Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по

физике.

Первый принцип новой теории – принцип

относительности. В соответствии с этим

принципом, все инерциальные системы отсчѐта

эквивалентны в отношении постановки в них

любых физических экспериментов. Таким образом

принцип относительности Галилея расширил своѐ

значение и в новом толковании звучит так: «любой процесс протекает

одинаково в изолированной материальной системе, и в другой системе,

находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения». Иными

словами можно сказать, что законы физики одинаковы во всех инерциальных

системах отсчѐта.

Относительность в теории Эйнштейна означает, что все инерциальные

системы отсчѐта одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества

перед другими. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение

такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в

ней экспериментах, не только механики но и электродинамики. Потом он был

обобщѐн ан все физические опыты. Этим постулатом также отбрасывалась идея

о неподвижном эфире абсолютного пространства. Также отбрасывается

концепция абсолютного времени, как чистой длительности.

В классической механике считалось, что существует пространство

наполненное телами. Если убрать тела, то останется пустое пространство. В

рамках новой теорий, пространство и время неразрывно связаны с материей.

Если убрать тела (материю) то исчезнет и пространство, и время.

Второй принцип специальной теории относительности – постоянство

скорости света во всех инерциальных системах. Напомним, что под

инерциальной системой понимается система отсчѐта которая покоится, или

движется прямолинейно и равномерно. В соответствии с этим постулатом,

скорость света не зависит от движения источника и приѐмника. В вакууме она

одинакова во всех направлениях и равна примерно 3·108 м/с = 300 тыс. км/с.

Важно отметить, что это не только скорость любой электромагнитной волны в

вакууме, но и максимально возможная (предельная) скорость распространения

любых физических взаимодействий.

Современные космические корабли движутся со скоростями порядка 30 - 70

тыс. км в час (до 1 км в секунду), что в 300 тыс. раз медленнее чем скорость

света. Допустим, что космический корабль приближается к Солнцу со

скоростью 10 тыс. км/с, тогда в соответствии с классической механикой (с

классическим здравым смыслом) на его борту должны будут зафиксировать

скорость света равной 310 тыс. км/с. Однако специальная теория

относительности даѐт величину 300 тыс. км/с.

Все последующие эксперименты подтвердили правильность этих

выводов, более точное значение скорости света c = 299`792`458 ± 1.2 м/с, был

получено в 1977 г. Опыты по уточнению скорости света продолжаются, в

действительности эти опыты можно рассматривать как самостоятельную


66

исследовательскую программу, в 1985 г. была получена величина 299`792`456

м/с, в 1995 г. величина 299`792`456.2 м/с.

Если скорость света при переходе из одной системы отсчѐта в другую не

меняется, тогда преобразования Лоренца, формулы преобразования времени и

длины, должны дать изменение этих величин.

Из СТО вытекает:

1. Длина движущегося объекта сокращается. Лоренц близко подошѐл в

созданию СТО, он утверждал, что движение любого объекта влияет на

измеренную величину его длины (это следовало из уравнений Максвелла). Если

космический корабль пролетает с большой скоростью мимо находящегося на

Земле наблюдателя, то этот наблюдатель измерит длину корабля короче чем та,

которую он измерит в состоянии покоя. Это изменение длины будет зависеть от

скорости корабля относительно наблюдателя. Более того в соответствии с

преобразованием Лоренца, при движении космического корабля со скоростью

приближающейся к скорости света его длина стремилась бы к нулю, точнее

была бы измерена таковой покоящимся наблюдателем.

2. В движущемся космическом корабле время течѐт медленнее, чем в

системе координат неподвижного наблюдателя. В соответствии с СТО часы

наблюдателя находящегося на Земле идут быстрее, чем такие же часы

находящиеся в космическом корабле, летящем с большой скоростью. До сих

пор экспериментально на макро уровне невозможно с достаточной точностью

подтвердить такие предположения. Например самые быстрые космические

корабли созданные человеком это космические зонды запущенный в 1977 г. к

границам Солнечной системы, они летят со скоростью порядка 70 тыс. км в час.

Но даже эта скорость слишком мала для экспериментальной проверки постулата

СТО.

Теоретически, если неподвижный наблюдатель разгоняем объект до

скорости стремящейся к скорости света то время в системе связанной с

объектом полностью останавливается. Замедление времени внутри быстро

движущегося космического корабля влияет не только на законы механики

(механические часы), но и на все законы и явления природы (включая песочные

или атомные часы). Это должно относиться и к скорости старения космонавтов.

Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, так называемый парадокс

близнецов. Если один брат близнец останется на Земле, а другой брат близнец

полетит на космическом корабле со скоростью близкой к скорости света, то

после возвращения на Землю он может обнаружить, что его брат стал старше.

Например по часам корабля пройдѐт один год, а по земным часам 50 лет. Если в

корабль сядет 40-ти летний отец, а на Земле останется его 20-ти летний сын, то

возвратившись на Землю в возрасте 41-го года он обнаружит своего 70-ти

летнего сына.

Такие мысленные парадоксы вызывают споры. Экспериментально эффект

замедления времени было возможным подтвердить только в микромире.

Теоретически рассчитанное и экспериментально наблюдаемое время жизни

элементарных частиц, которые могут двигаться со скоростями порядка одной

десятой скорости света, в покоящейся и движущейся системе отсчѐта

отличаются.

3. Возможность подтвердить этот эффект в макромире ограничивается

увеличением массы движущегося тела. Из преобразований Лоренца следует

изменение длины и времени, но там где Лоренц остановился, Эйнштейн пошѐл

дальше. Пытаясь согласовать преобразования Лоренца со вторым законом


67

классической механики он вынужден был предположить, что и масса

движущегося частицы (тела) m’ увеличивается со скоростью:

2

2

1

'

c

V

mm

.

в сравнении с массой тела в покоящейся системе отсчѐта m. Из этой формулы

очевидно, что если значение скорости объекта V приближается к скорости света,

то величина V /с стремиться к единице. Следовательно знаменатель стремиться

к нулю и m’, масса движущейся частицы, стремиться к бесконечности. Но и

здесь кроется парадокс, для разгона даже элементарной частицы (электрона с

массой около 9·10-28

грамм) до скорости света необходимо затратить

бесконечную энергию, что невозможно. Эксперименты подтверждающие

увеличение массы частиц в микромире подтверждают выводы СТО, но

обобщение этих выводов перенос их на макроскопические размеры, переход от

микрочастиц к телам макромира, даже малых размеров порядка грамм или даже

миллиграмм, наталкивается на существенные трудности.

Теория относительности Эйнштейна (СТО) вызвала большой общественный

резонанс в двадцатом веке. Нечто похожее наблюдалось и в веке

восемнадцатом, после опубликования «Начал» Ньютона. Внеся существенный

вклад в третью научную революцию, Эйнштейн так и не принял статистической

физики и квантовой механики: «Бог не играет в кости» – говорил он.

Современное представление о массе

Классическая физика считала, что «масса есть мера вещества,

устанавливаемая пропорционально плотности и объѐму его». Такая трактовка

не сильно отличается от того, что было известно ещѐ Архимеду. Знаменитое

слово «эврика» – нашѐл, Архимед выкрикнул, когда понял, как определить

объѐм сложного объѐкта – золотой короны. Зная еѐ массу и объѐм можно

вычислить плотность вещества из которого она была сделана и сравнить его с

плотностью чистого золота. Как выяснилось корона, которую исследовал

Архимед, была изготовлена с добавлением примесей.

Кроме меры вещества, масса определяет инерцию тела и гравитационную

силу, действующую на него. Иными словами, в классической физике

существует: 1) гравитационная масса, 2) инертная масса, 3) масса как мера

вещества. В современной физике этот вопрос рассматривается несколько

сложнее.

В 1905 г. А.Эйнштейн опубликовал ещѐ одну важную формулу. Он

исследовал массу горящего фонаря и количество энергии, излучаемой в виде

света, и нашѐл связь между изменением массы тела и еѐ энергией:

Е = mc2.

Интересна другая формулировка данного принципа:

ΔЕ = Δmc2,


68

где Δm – это изменение массы тела, или разность масс атомного ядра в процессе

радиоактивного распада. Энергия оказалась пропорциональна массе тела, или

частицы. Коэффициентом пропорциональности является квадрат скорости света

в вакууме – с2. Масса вещества переходит в энергию в виде фотонов или

квантов электромагнитного излучения. Масса фотона в состоянии покоя равна

нулю.

В СТО появляется новое понятие – масса покоя частицы в своей системе

отсчѐта, это та масса которая не зависела от скорости в классической механике.

И появляется как масса движущейся частицы относительно покоящейся

системы отсчѐта. Теперь нужно уточнять – масса покоя фотона, единственной

частицы движущегося со скоростью света, равна нулю. Масса покоя электрона

me= 0.91093987·10-30

кг, или в единицах энергии 0.511·106

эВ, масса покоя

протона mp=1.672614(14) 10-27

кг = 1836·me. Т.е. протон почти в две тысячи раз

тяжелее электрона. Близкий результат получил и английский физик,

первооткрыватель электрона, Д.Томсон (1856-1940) в конце XIX в. Масса

движущихся электронов и протонов изменяются в соответствии с выше

приведѐнной формулой.

Американский физик-теоретик Марри Гелл-Ман (род. 1929) в 1964 г.

предложил, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, он назвал

их кварки. Название им было взято из художественной литературы: «три кварка

для мистера Марка». При первых экспериментах по распаду протонов

действительно появилось три более мелких частицы – кварка. Впоследствии

было открыто множество элементарных частиц, Гелл-Ман назвал это

множество – «зоопарк частиц». Это множество было изучено и организовано в

некую систему, аналогичную Периодической системе химических элементов

Д.И.Менделеева. В 1969 г. за эти работы М.Гелл-Ман был удостоен

Нобелевской премии по физике 1969 г.

В современных физических теориях природы массы главную роль играет так

называемое поле Хиггса, которое, предположительно, пронизывает всю

Вселенную (здесь появляется связь между микро- и макромиром). Современная

физика говорит, что мир состоит всего из шести частиц: три частицы вещества

(верхние кварки, нижние кварки, электроны), два кванта (фотоны, глюоны),

создающие силы взаимодействий, и бозоны Хиггса. Бозоны – это микрочастицы

с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна.

Протон состоит из нижнего и верхнего кварка и глюона. В соответствии с

теорией Хиггса вся Вселенная состоит из темной энергии, тѐмного вещества,

нейтрино и видимого вещества. К последнему относятся протоны, нейтроны и

электроны. Видимое вещество составляет 4-5% всей Вселенной. 70% массы-

энергии Вселенной сосредоточено в так называемой тѐмной энергии, которая

непосредственно не связана с частицами. Вывод о еѐ существовании сделан из

наблюдаемого ускорения расширения Вселенной. Природа происхождения

тѐмной энергии – один из самых сложных вопросов современной физики.

Невидимая нам тѐмная материя – тѐмное вещество, составляет 25%, о

существовании которого свидетельствует его гравитационное влияние на

видимые нами объекты. Всѐ вещество Вселенной – тѐмное вещество вместе с

видимым веществом, составляет примерно 30%. Нейтрино (итал. neutrino,

уменьшительное от neutrone – нейтрон) составляет оставшуюся часть, примерно

0.5%.


69

Самая тяжѐлая элементарная частица легче самой лѐгкой на 11 порядков

(1011

). Забавно, что в макромире примерно во столько же – 600 миллиардов

(6·1011

) раз – слон (~6 т) тяжелее муравья (~0.01 мг).

Причинно-следственная связь

В классической физике скорость взаимодействия могла равняться

бесконечности – ∞. Считалось свет далѐких звѐзд доходит до Земли мгновенно,

или по крайней мере, довольно быстро. Те изменения которые мы наблюдаем на

небе происходят в данный момент, также как и изменения на Солнце, на Луне

или на Марсе. С ограничением скорости света определѐнной, хотя и довольно

большой величиной, становиться ясно, что свет от Солнца летит 8 минут.

Следовательно те вспышки на Солнце, которые мы наблюдаем в данный момент

произошли несколько минут назад. Свет от ближайшей к нам звезды Альфа

Центавра летит до Земли около 4-х лет. Свет от звѐзд далѐких галактик

приходит к нам через тысячи, миллионы и даже миллиарды лет. Следовательно,

то что мы наблюдаем сегодня могло произойти в те времена когда не было ни

человека, ни даже самой Земли.

Для таких больших, космических расстояний были введены новые,

внесистемные единицы, измерения длины – астрономическая единица длины

(а.е.), единица расстояния, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца, 1

а.е. = 149.6 млн. км. Световая секунда, световая минута и световой год, это

расстояние которое свет проходит за секунду, за минуту и за год,

соответственно.

Постоянство скорости света влияет на понимание законов макромира.

Общепризнано, что причина всегда предшествует следствию. Этот принцип

известен, как фундаментальный закон причинности. Никакое следствие данного

события не может произойти раньше чем причина и не может произойти

быстрее чем со скоростью света.

Общая теория относительности

В 1916 г. А.Эйнштей опубликовал ещѐ одну работу, в которой он

сформулировал общую теорию относительности (ОТО). Это был переворот в

понимании природы гравитационного взаимодействия. Основой ОТО был

принцип эквивалентности, сформулированный Эйнштейном в 1907 г. В

классической физике масса рассматривается как мера вещества, гравитационная

масса и как инертная масса. Инертность массы означает меру сопротивления

тела любому изменению состояния его движения (чтобы изменить направление

движения тела нужно приложить силу – второй закон Ньютона). С другой

стороны, масса в законе всемирного тяготения имеет совсем другой смысл – это

гравитационная масса или мера силы притяжения одного тела к другому. В

соответствии с изложенным выше принципом Галилея, все тела в

гравитационном поле приобретают одинаковые ускорения. Из этого следует

одинаковость гравитационной и инертной массы. Этот принцип называют

слабым принципом эквивалентности.

Свойства движения тела в неинерциальной (ускоряющейся, замедляющейся

или вращающейся) системе отсчѐта такие же, как и в инерциальной системе при

наличии гравитационного поля. Иными словами инерциальная система отсчѐта

эквивалентна некоторому гравитационному полю. Это и есть принцип

эквивалентности.


70

Чтобы пояснить этот принцип, Эйнштейн приводил следующий пример.

Если человек находится в закрытой кабине лифта, то он не в состоянии

отличить влияние тяготения от эффекта ускорения лифта. Никакие физические

эксперименты проводимые внутри этой кабины не позволят отличить явления,

связанные с тяготением, от явлений характерных для ускоренного движения.

Иными словами, эффект гравитации и ускоренного движения неотличимы. Этот

принцип до наших дней является предметом обсуждения и исследования.

Однако, используя самую точную современную аппаратуру, разницы между

гравитационной и инертной массой найдено не было.

Следствием принципа эквивалентности является отклонение луча света

вблизи больших масс планет или звѐзд. Свет излучаемый объектом большой

массы должен иметь изменение длины волны смещѐнное в сторону увеличения

длины волны и уменьшения частоты (красное смещение). Эти предсказанные

эффекты были подтверждены экспериментально, Рис. 14.

Вторым важным моментом ОТО был принцип искривления пространства-

времени вблизи больших масс. Рядом с массивным телом должно искривляться

пространство-время, а не только пространство. Пространство будет

искривляться, а время будет замедляться. Вблизи больших масс лучи света

движутся не по прямым, а по искривлѐнным геодезическим (греч. ge – Земля,

daio – разделяю). Так же как на поверхности глобуса из одной точки в другую

мы движемся не по прямой а по дуге – геодезической линии.

Иными словами, природа тяготения не определяется гравитационным

полем, а есть следствие изменения геометрических свойств пространственно-

временного континуума вблизи больших масс. Чем больше масса тела и выше

его плотность, тем больше оно искривляет прилегающее к нему пространство-

время. Гравитационное притяжение и возникает как следствие этого

искривления: «вещество говорит пространству, как ему искривляться, а

пространство говорит веществу, как ему двигаться».

В теории относительности время также неразрывно от материи, как и

пространство. В классической физике время рассматривается как чистая

длительность, как непрекращающийся ровно текущий, не связанный, и

независимый от пространства и материи поток. В концепции теории

относительности время неразрывно связано с пространством и материей. Если

исчезнет материя, то исчезнет и пространство, и время.


71

Немецкий математик и физик Герман Минковский (1864-1909) в 1907-1908

гг. дал геометрическую интерпретацию кинематики теории относительности

введя так называемое пространство Минковского. Он сформулировал гипотезу

о том, что три пространственные координаты x, y, z нельзя рассматривать

отдельно, независимо от четвѐртой координаты – времени t. Все события

происходят в четырѐхмерном пространственно-временном континууме.

Эйнштейн поддержал эту концепцию и теперь все законы природы в общем

случае описываются в четырѐхмерном пространстве-времени.

В новом пространстве вместо длины используется другая величина:

2222 ctzyxS .

В соответствии с этой концепцией, все явления необходимо рассматривать

как существующие либо внутри причинно-следственный конуса, см. Рис. 15,

либо вне его. В пределах этого пространственно-временного конуса два

события A и B могут в принципе повлиять друг на друга. Те события, которые

находятся вне конуса никак не могут повлиять друг на друга. Это также

означает, что вблизи больших масс пространство-время может быть искривлено

настолько, что даже с течением времени некоторые два события никогда не

смогут повлиять друг на друга.

ОТО коренным образом изменила физику макромира и наши представления

о пространстве и времени. Следствием этого является отказ от какого бы то ни

было центризма вообще (ср. геоцентризм, гелиоцентризм). Вся наша

наблюдаемая Вселенная в рамках ОТО описывается одной изотропной

релятивистской космологической моделью.

Термодинамика чѐрных дыр

В 1783 английский геолог и астроном Джон Мичелл (1724-1793) первым

предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что

X

Y

A B

Рисунок 15.

Причинно-следственная связь в общей теории

относительности.


72

даже луч света не способен покинуть их поверхность. Эту же идею высказал в

своей книге «Система мира» (1796) французский математик и астроном Пьер

Лаплас (1749-1827). Простой расчет позволил записать ему следующие

знаменитый слова: «Светящаяся звезда с плотностью равной плотности Земли и

диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному световому

лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие

небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».

Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз

превосходить солнечную. А поскольку астрономические измерения показали,

что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея

Мичела и Лапласа о чѐрных дырах оказалась забыта.

Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда

немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873-1916) впервые получил точное

решение уравнений созданной Эйнштейном теории гравитации. Оказалось, что

пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на неком

расстоянии от нее, его называют «шварцшильдовским радиусом», а

соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской

поверхностью. Горизонт событий – это замкнутая поверхность,

ограничивающая область вокруг черной дыры, в пределах которой силы

гравитации очень велики и ничто (фотоны, частицы) не может выйти из-под

этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя.

Одно из важнейших свойств чѐрных дыр заключается в том, что в

равновесии – это предельно простая система и обладает очень малым числом

степеней свободы. Это наводит на мысль, что чѐрную дыру можно было бы

описать в рамках макроскопического подхода, аналогичного термодинамике.

Оказывается, это действительно можно реализовать, и такой подход получил

название термодинамики чѐрных дыр.

Первоначальные идеи относительно применения термодинамики к

описанию чѐрных дыр были высказаны Бекенштейном в 1973 г. Он перечислил

следующий набор свойств чѐрных дыр:

- сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий;

- изменение массы (т.е. внутренней энергии) чѐрной дыры связано с

изменением площади еѐ горизонта событий, еѐ углового момента и еѐ

электрического заряда;

- в любых неравновесных процессах с участием чѐрных дыр (например, при

их столкновении) площадь поверхности увеличивается.

Эти свойства очень напоминают (и более того, математически

эквивалентны) началам термодинамики (существование температуры, связь

внутренней энергии с энтропией, и закон возрастания энтропии). Т.е. весь

математический аппарат термодинамики можно применить к чѐрной дыре, если

положить, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь

поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии.

Возникает естественный вопрос, является ли эта эквивалентность реальной,

физической, или это просто похожесть математических законов. В частности,

если чѐрной дыре определѐнной массы можно сопоставить некоторую

температуру, то, в согласии с законами термодинамики, она должна излучать.

Это, казалось бы, находится в противоречии со свойством чѐрной дыры не

выпускать ничего из-под своего горизонта событий.


73

Ответы на эти вопросы в 1975 г. дал английский физик-теоретик Стивен

Хокинг (р. 1942). Он показал, что излучение чѐрной дыры – названное

впоследствии излучением Хокинга – возникает за счѐт квантовых эффектов,

причѐм частицы излучения не выходят из-под горизонта событий, а рождаются

вблизи него. Вычисленная Хокингом интенсивность излучения совпала с той,

которая ожидалась на основании термодинамического подхода. Это явилось

подтверждением того, что термодинамика чѐрных дыр действительно имеет

реальный физический смысл.

С.Хокинг в настоящее время занимает кресло люкасовского профессора в

Кембридже, Великобритания, место которое в своѐ время занимал И.Ньютон.


74

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Неизвестное излучение

В 1896 г. французский физик Анри Беккерель (1852-1908) при изучении

вынужденного свечения (люминесценции) солей урана случайно обнаружил

излучение новой природы. Это излучение не было люминесцентным, оно

оказалось излучением совершенно новой природы. Оно действовало на

фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические

пластинки, само вызывало люминесценцию других веществ. Французские

учѐные, супруги Мария Складовская-Кюри (1867-1934) и Пьер Кюри (1859-

1906) обнаружили, что это новое излучение свойственно не только урану, но и

многим другим тяжѐлым элементам, например торий – Th, полоний – Po,

актиний – Ac, радий - Ra. Впоследствии это излучение было названо

радиоактивным излучением, а само явление – радиоактивностью. За эти

открытия все трое получили Нобелевскую премию по физике 1903 г.

Под тяжѐлыми элементами подразумеваются элементы с массовым числом

А больше 90. Массовое число (ср. атомная масса и атомный номер) это число

нуклонов (протонов и нейтронов) составляющих атомное ядро, указывается

слева вверху у символа химического элемента. Массовое число различно для

разных изотопов одного химического элемента.

Опыты с радиоактивными веществами показали, что изменение агрегатного

состояния (газ – жидкость – твѐрдое тело), давление, температура,

электрические и магнитные поля не оказывают влияния на характер

радиоактивного излучения. Указанные воздействия были подобраны таким

образом чтобы привести к изменению оболочки атома. Из отсутствия

изменений характеристик радиоактивного излучения был сделан вывод, что

свойства обусловлены только структурой ядер атома. Потом было обнаружено,

что радиоактивные вещества могут превращаться в другие вещества. В средние

века это и было одной из основных задач алхимии.

В настоящее время радиоактивность определяется как способность

некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно, без внешнего

воздействия или внешнего излучения) превращаться в другие ядра с

испусканием различных видов излучений и элементарных частиц.

Существует естественная радиоактивность, она наблюдается у

неустойчивых изотопов, существующих в природе. Искусственная

радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов, полученных

посредством ядерных реакций. Законы радиоактивного излучения и

превращения в обоих случаях одинаковы.

Типы радиоактивного излучения

При радиоактивном распаде появляется три типа излучения: α, β и γ (альфа,

бета и гамма).

γ-излучение оказалось коротковолновым электромагнитным излучением.

Такой вывод был сделан из того, что оно не отклонялось электрическим и

магнитным полями, обладало относительно слабой ионизирующей

способностью и очень большой проникающей способностью. γ-излучение

проходит через слой свинца толщиной 5 см. При прохождении через кристаллы

наблюдалась дифракция этого излучения. Оно аналогично простому видимому

свету только имеет очень короткую длину волны ~10-10

м и высокую частоту ~

1019

- 1026

Гц. Сравнивая с длиной волны видимого света (~0.5 микрон) это на


75

четыре – пять порядков, т.е. в 10 - 100 тысяч раз меньше. Короткая длина волны

связана с высокой проникающей способность гамма-излучения. Чем меньше

длина волны электромагнитного излучения, тем ярче выражены его

корпускулярные свойства (γ-кванты аналогичны фотонам) и тем выше его

проникающая способность.

α- и β-излучение было определено как потоки α и β частиц. α-излучение

отклонялось электрическим и магнитным полями, обладало высокой

ионизирующей способностью. Был сделан вывод, что это положительно

заряженные частицы с зарядом равным двум зарядам электрона. Масса

совпадала с массой ядра изотопа гелия He4

2. Число сверху слева от Не означает

число нуклонов (массовое число А), число снизу означает положительный

электрический заряд в единицах заряда электрона (атомный номер). Позже

подтвердилось, что α-частицы это и есть ядра изотопа гелия с двумя протонами

и двумя нейтронами. α-частицы обладают малой проникающей способностью,

например они поглощаются алюминиевой плѐнкой толщиной порядка 0.05 мм

(50 микрон).

β-излучение тоже отклонялось электрическим и магнитным полями. Его

проникающая способность примерно в сто раз выше, чем у α-излучения. β-

излучение поглощается 2-х миллиметровым слоем алюминия. По траекториям

отклонения β-излучения было определено, что оно является потоком

электронов, возникающих при делении атомного ядра. Позже было выяснено,

что существует β-- и β

+- излучения. Последнее соответствует потоку позитронов

– е+, частиц с той же массой, что у электронов, и положительным зарядом,

который по модулю равен заряду электрона.

Ядерный распад

Все химические элементы делятся на лѐгкие, средние и тяжѐлые. Лѐгкие

элементы имеют массовое число А, от 1 до 50 (порядковый номер в Таблице

Менделеева, Z, от 1 до 22). Средние элементы и имеют А = 5 – 100 (Z = 23 - 43).

К тяжѐлым элементам относят те у которых А больше 100 (Z больше 43). Такое

деление оправдано тем, что у элементов со средними массовыми числами

удельная энергия связи протонов и нейтронов в атомном ядре максимальна (до

8.7 МэВ). Т.е. при делении этих ядер энергия должна поглощаться. Тяжѐлые

элементы, наоборот имеют некоторый (примерно 10%) спад кривой удельной

энергии связи (у урана 238 – 7.6 МэВ). Следовательно при делении ядер

тяжѐлых элементов энергия должна выделяться, что и наблюдается при

реакциях ядерного распада. Важно что у лѐгких элементов удельная энергия

связи резко падает, примерно до 87% (водород – 1.1 МэВ, гелий – 7.1 МэВ,

литий – 5.3 МэВ) относительно максимальной точки (8.7 МэВ). Из этого

следует, что реакции термоядерного синтеза легких

ядер в несколько раз (3.5/0.84 ≈ 4 раза, из расчѐта на

один нуклон) энергетически более выгодны, чем

реакции распада тяжѐлых ядер.

Первую в истории ядерную реакцию, в 1919 г.

осуществил английский физик, уроженец Новой

Зеландии Эрнест Резерфорд (1871-1937) при

бомбардировке ядер азота N, α-частицами – He:

p1

1

17

8

18

9

4

2

14

7 OFHeN .


76

На промежуточной стадии реакции образуются изотопы атома фтора F, который

потом преобразуется в изотоп кислорода O, с появлением одного протона p.

В экспериментах по бомбардировке ядер нейтронами в 1934 г. итальянский

физик Энрико Ферми (1901-1954) с соавторами

расщепил атом. Тем самым было положено начало

искусственной радиоактивности. Ферми построил

первый ядерный реактор, где впервые (2 декабря

1942 г.) была осуществлена цепная ядерная

реакция. Ферми был удостоен Нобелевской премии

по физике 1938 г.

Современные задачи ядерной физики решаются

в рамках программы построения термоядерного

реактора, который обещает быть неисчерпаемым

источником энергии, и к тому же, абсолютно

безвредным.

В военной области, на основе концепции о существовании материи и

антиматерии предполагается создать протонные бомбы, взрыв которых должен

будет происходить за счѐт высвобождения энергии антиматерии.

Биологическое действие радиоактивности

Радиоактивное излучение возникает в результате ядерных реакций, работы

ядерных реакторов, ядерных и термоядерных взрывов. Это излучение имеет

сильное биологическое действие. Все живые организмы подвержены его

пагубному воздействию. Излучение, которое повысит температуру организма

всего на тысячную долю градуса, может серьѐзно нарушить жизнедеятельность

клеток. Клетка живого организма очень сложный механизм, и даже слабое

излучение способно нанести серьѐзные повреждения и вызвать опасные

болезни. При большой дозе живой организм довольно быстро погибает.

Всем известна лучевая болезнь. При этой болезни, даже при смертельных

дозах, поначалу не возникает никаких болевых ощущений. На сегодняшний

день известно, что радиация вызывает ионизацию атомов и молекул. Это

приводит к изменению их биохимической активности. Известно, что наиболее

чувствительны те группы клеток, которые быстро делятся. Поражаются

преимущественно ядра клеток, т.е. структура наследственного аппарата ДНК.

Красные клетки крови (эритроциты) образуются в костном мозгу человека,

который находится в позвоночнике. По сравнению с другими клетками, этот

процесс довольно быстрый. Ежедневно умирают и создаются вновь сотни тысяч

эритроцитов. Именно поэтому в первую очередь излучение поражает костный

мозг и кровь, вызывая рак крови (лейкемию). Потом поражаются клетки

органов пищеварительного тракта и затем других органов. Из этого понятно,

что группами большего риска являются молодые люди, и люди среднего

возраста. Известно, что сильное влияние радиация оказывает на

наследственность, однако механизм биологического действия радиации до

конца не изучен.

В тоже время, радиацию используют и для лечения некоторых болезней.

Быстро размножающиеся раковые клетки злокачественной опухоли более

чувствительны к облучению, чем клетки здоровых органов. Облучая опухоль

радиоактивным излучением легко повредить их структуру ДНК и замедлить или

даже остановить рост опухоли. В настоящее время для лечения раковых


77

опухолей в медиками широко применяется γ-излучение. Излечение не наступает

в 100% случаев, видимо из-за не достаточно изученного механизма воздействия,

но довольно часто ведѐт к положительному результату. Рост раковой опухоли

прекращается, или сильно замедляется.

При помощи современных методов наука установила, что пребывание всех

атомов в организме человека временно. Ввиду общего круговорота веществ в

природе все клетки и все химические элементы организма обновляются, старые

элементы опять возвращаются в окружающую среду. При помощи введения в

организмы людей радиоактивных изотопов было установлено, что процесс

полного обновления занимает примерно семь лет. В тоже время, эксперименты

по введению в пищу радиоактивных изотопов атомов железа Fe57

26 было

обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Оказалось, что они начинают

усваиваться и поступают в кровь только тогда, когда запасы железа в организме

иссякают.


78

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Процессы самоорганизация Способность к взаимодействию различных химических реагентов

определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями

протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов

откосятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие

зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В

еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от

кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других

добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных

условий.

Не следует забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на

характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул

химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения

переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно

на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые

значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают

на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для

сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода.

Вначале его не удавалось получить ни с помощью большого давления, ни

высокой температуры, и только использование в качестве катализатора

специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта

реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые

удалось преодолеть после того, когда был использован металлорганический

катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной

температуре (18°С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает

большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем

такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не

будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и

перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях

химической промышленности, в особенности в тонком и тяжелом органическом

синтезе.

Учитывая чрезвычайно высокую эффективность катализаторов в

ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что

возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без

существования ферментов, служащих по сути дела живыми катализаторами.

Несмотря на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими

всем катализаторам, они не тождественны последним, поскольку

функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать

опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом

мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о

моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей

для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично

практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых

химических реакций.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от

химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции,

в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее

убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических


79

систем (автокатализ), которые открыли наши соотечественники Б.П.Белоусов и

А.М.Жаботинский в искусственных условиях. Такие реакции сопровождаются

образованием специфических пространственных и временных структур за счет

поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако

в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных

химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры

химических систем. На этом основании некоторые ученые, напрямую

связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием

каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то

в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических

систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни

предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких

химических элементов и их соединений, которые являются основным

строительным материалом для образования биологических систем. Из более чем

ста химических элементов лишь шесть (их называют органогенами) служат

основой для построения живых систем.

Наиболее интересным в современной науке является вопрос о

происхождении жизни. Ученые сегодня в состоянии воспроизвести некие

модельные эксперименты, которые могут напоминать условия которые были на

Земле несколько миллиардов лет назад, когда живое возникало из неживого.

Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию,

и ультрафиолетовым излучением, имитирующим излучение достигающее

поверхности формирующейся Земли, были получены сложные органические

вещества, входящие в состав белковых тел.

Вопрос происхождения жизни интересен своей связью с вопросом

нахождения отличий живого от неживого. Есть несколько фундаментальных

отличий в структуре и химическом составе живых молекул и организмов. В

состав живого организма обязательно входят биополимеры, это упорядоченные

макромолекулярные органические соединения. К биополимерам относят белки

и нуклеиновые (находящиеся в ядре клетки) кислоты – ДНК

(дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Живой организм всегда состоит из клеток имеет клеточное строение.

Возникновение биологической клетки из «бульона» органических

макромолекул само по себе есть важный и до конца не решѐнный вопрос

современного естествознания.

Выделим отличия живого от неживого. Для живых тел характерны

рождение, питание, рост, размножение – воспроизводство самих себя

(самовоспроизводство). Живые тела отличаются от неживых наличием обмена

веществ, способностью не только к росту, но и к направленному

(необратимому) развитию. Живые организмы, даже самые простейшие, активно

регулируют свой химический состава и функций. Организмы у которых нет ни

глаз, ни ушей, ни нервной системы могут двигаться в направлении пищи, света,

тепла, других раздражителей. Живой организм имеет раздражимость –

реагирует и приспосабливается к окружающей среде.

Неотъемлемым свойством живого является движение. Движение существует

как на уровне целого организма, так и на уровне его частей – органов,

жидкостей. Движение существует и внутри каждой отдельной клетки.

Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Для сравнения

с неживой природой обычно рассматривают кристаллы, например кристаллы


80

обычной поваренной соли NaCl

может появляться множество кристаллов подобных друг другу. Но в живые

организмы обладают способностью самовоспроизводства. Не что-то размножает

их, а они сами способны это делать.

Вирусы

Провести строгую разграничительную (демаркационную) линию между

живым и неживым довольно сложно. Например, вирусы являются переходными

формами от неживого к живому. Вне клеток живого организма вирусы не

обладают ни одним из вышеперечисленных признаков живого. У них есть

наследственный аппарат, но отсутствуют необходимые для обмена веществ

ферменты и белки. Из-за этого вирусы не могут самостоятельно расти и

размножаться. Проникая в клетки других организмов используя их ферменты и

белки вирусы могут довольно быстро размножаться. В других условиях, при

очень высоких или очень низких температурах, в отсутствии кислорода (даже в

открытом космосе), в сильной кислотной или щелочной среде, где все живые

организмы умирают, вирусы могут сохраняться миллиарды лет. Принято

считать что в одних условиях вирусы ведут себя как живые организмы, в других

как неживые. Последние состояния называют инертные кристаллы.

Ежегодно 10 млн. человек умирает от

различных вирусных инфекций, но наука

начала изучать вирусы около 100 лет назад.

Первый вирус – вирус табачной мозаики в

1892 г. обнаружил русский физиолог

растений и микробиолог Дмитрий

Иосифович Ивановский (1864-1920). В 1897

г. был выделен вирус лихорадки, в 1901 г.

вирус холеры. Сегодня всем известен вирус

СПИДа (синдром приобретѐнного

иммунодефицита) ВИЧ (вирус

иммунодефицита человека). ВИЧ был

выделен в начале 80-х годов XX в. Первый случай заболевания был

зарегистрирован в 1981 г. Его инкубационный период около 7 лет и он

относиться к группе ретровирусов, это РНК-содержащие вирусы, которые

обнаружены у всех позвоночных (в том числе человека) и некоторых

беспозвоночных. Ретровирусы встраивают свой генетический материал РНК в

ДНК клеток организма что ведѐт к воспроизводству этих вирусов. Вирус

СПИДа через 20 минут после попадания в кровь человека встраивается в его

геном и начинает поражать лейкоциты (белые кровяные клетки) иммунной

системы. Последнее приводит к ослаблению организма и развитию различных

болезней от которых организм и умирает. В наши дни на планете от него

умирает 7 миллионов человек в год. В России по разным данным насчитывается

от 320 до 900 тысяч ВИЧ-инфицированных, в Мире уже около 40 миллионов.

На сегодняшний день известно 400 видов вирусов. Болезни вызванные ими

естественно вызывают стремление их лечить (уничтожать), однако современная

наука пытается иначе осознать эту проблему. В XX веке были найдены мощные

средства борьбы с вирусами. В 1967 г. Всемирная организация здравоохранения

(ВОЗ) заявила о полной победе над чѐрной оспой, однако выяснилось, что она

является естественным врагом СПИДа. Выяснилось, что борясь с одними

болезнями мы вызываем новые, более страшные.


81

В 1997 г. в Заире была зарегистрирована новая форма вируса оспы. Под

действием лекарств, которые создаются и тестируются минимум за 5-10 лет,

вирусы постоянно мутируют и возникают более страшные, вирусы которые

распространяются намного быстрее. Времени на создание новых

противовирусных вакцин увеличивается, а действие новых смертельных

вирусов сокращается. В тоже время известно, что некоторые люди

инфицированные вирусом СПИДа не болеют, у них есть естественный

иммунитет к этой болезни. Это свидетельствует о том, что даже если СПИД не

удастся эффективно лечить, часть людей всѐ равно выживут и дадут потомство

естественным образом ВИЧ-резистентное.

После расшифровки генома человека в начале XXI века выяснилось, что

10% закодированной информации это встроенные цепочки ДНК вирусов.

Можно сказать, что геном человека показывает карту эволюции вирусов за

несколько миллионов лет. Столько существуют, приматы и человек, однако

вирусы существуют по крайне мере столько же сколько существует Земля и

Солнечная система (около 4.5 миллиардов лет). Очевидно у вирусов больше

шансов выжить и после того как человек исчезнет, или покинет Землю.

Концепции возникновения жизни

Первую естественнонаучную концепцию возникновения жизни на Земле

предложили ещѐ Древние греки. Это концепция многократного, спонтанного,

самопроизвольного зарождения живого из неживого вещества. Аристотель

считал, что живое может спонтанно и многократно возникать и в результате

разложения почвы.

Во второй половине XIX в. эту концепцию

опроверг французский микробиолог Луи Пастер

(1822-1895) изучавший деятельность бактерий. Нам

знакомо слово пастеризация молока. Пастеризация

это не кипячение молока или вина, когда эти

жидкости существенно меняют свои свойства, а

выдерживание их определѐнное время при

определѐнной температуре ниже температуры

кипения. При этом их свойства почти не меняются,

но все живые микроорганизмы в этих жидкостях

погибают. Кстати, Пастер приобрѐл известность

пастеризацией вина и пива, которое не могло

храниться долго в жарких районах Франции, так как прокисало из-за быстрого

размножения бактерий.

Существует концепция внеземного происхождения жизни – панспермия

(греч. pan – все; sperma – семя). Жизнь могла быть занесена на Землю из

космоса в виде неких «семян жизни». Она опирается на обнаружение в веществе

метеоритов и комет, упавших на Землю, органических соединений и вирусов,

которые могли сыграть роль «семян». Концепция панспермии не имеет много

сторонников.

В основном, современная наука придерживается концепции происхождения

жизни на Земле в результате постепенных исторических процессов. Сторонники

этой концепции делятся на два лагеря. Согласно одному, происхождение жизни

– результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении

которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Они считают,

что жизнь событие случайное и исключительное, она не следует из законов


82

физики, но совместима с ними. В соответствии с мнением другого лагеря,

происхождение жизни результат закономерной эволюции материи,

подчиняющейся физическим, химическим, биологическим законам и законам

самоорганизации.

Также существует мнение, что жизнь могла существовать всегда, как некая

форма отличная от неживого, она называется концепция стационарного

состояния.

В XX век появились первые количественные

научные модели происхождения жизни. В начале

XX в. была впервые сформулирована

естественнонаучная концепция происхождения

жизни. Русский биохимик Александр Иванович

Опарин (1894-1980) в 1922 г. выдвинул свою

концепцию возникновения жизни на Земле. В своей

книге «Происхождение жизни» (1924 г.) он делает

вывод, что жизнь есть результат длительной

эволюции на Земле. Это была сначала длительная

химическая, затем и биохимическая эволюция.

Можно выделить несколько этапов живых систем,

начиная с самых простейших и затем, следуя по пути постепенного их

усложнения.

Химическое состав живых систем

С точки зрения химического строения, для живых организмов прежде всего

нужен углерод. Он является главным элементом живого – это основная

структурная единица для образования макромолекул. Углерод достаточно

распространѐн во Вселенной, чтобы природа не испытывала недостатка в

материале для создания жизни. Атомы углерода вырабатываются в недрах

больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод

способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов),

подвижные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные структуры в

виде цепей (ср. макромолекулы, полимеры, фуллерены). Эти цепи имеют

низкую электропроводность. Соединения углерода с водородом, кислородом,

азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими,

строительными, энергетическими свойствами. Относительно недавно была

показана важность и наличие информационных свойств этих соединений.

Углерод обладает способностью образовывать четыре ковалентные

химические связи с другими атомами, включая и сам углерод. По разнообразию

соединений с другими элементами углерод превосходит все известные

элементы, вместе взятые. Например с водородом, самым распространѐнным

элементом, углерод может образовывать соединения до С90Н154 включительно.

Ввиду того, что ковалентные связи имеют пространственную структуру,

углерод может создавать скелеты гигантских трѐхмерных молекул, подобных

белкам и нуклеиновым кислотам. Несмотря на некоторую термодинамическую

нестабильность, соединения углерода с другими веществами инертны, с трудом

вступают в химические реакции. Это и обеспечивает высокую устойчивость

сложных молекулярных систем.

Жизнь на Земле основана именно на углероде, хотя теоретически можно

предположить существование жизни и на кремниевой основе – кремниевая

жизнь. Кремний является ближайшим соперником углерода. Связи атомов


83

кремния друг с другом в два раза слабее, чем у атомов углерода, но кремний

способен образовывать прочные соединения с кислородом. Учѐные считают,

что в принципе, где-то во Вселенной, возможно формирование живых

организмов на основе кремния. Однако, в метеоритах, кометах, межзвѐздных

облаках (и атмосферах звѐзд) найдены органические молекулы на основе

углерода, в то же время кремний всегда присутствует в соединении с

кислородом и на Земле и в космосе.

Два других важных элемента, сера – S и фосфор – P, присутствуют в

относительно малых количествах, но могут образовывать кратные химические

связи. Поэтому эти элементы вошли в состав белков (сера) и нуклеиновых

кислот (фосфор). Натрий – Na, калий – K, магний – Mg, кальций – Ca, хлор – Cl

входят в состав организмов в небольших количествах, но они абсолютно

необходимы для жизнедеятельности. Эти элементы абсолютно необходимы для

осуществления процессов переноса веществ в клеточных мембранах.

Многочисленные научные исследования посвящены изучению клеточных

мембран и транспортных и обменных процессов в них.

В малых количествах в живых организмах присутствуют железо – Fe,

марганец – Mn, кобальт – Co, медь – Cu, цинк – Zn, йод – I. Железо

присутствует в гемоглобине (греч. haima – кровь; лат. globus – шар), это белок

который присутствует в эритроцитах (красных кровяных клетках). Именно этот

белок и железо играют важную роль в процессе дыхания (окисление

органических веществ с освобождением энергии). Йод необходим для

образования гормонов, например его недостаток в средней полосе России, ведѐт

к заболеваниям щитовидной железы (базедовой болезни) и к нарушениям

гормональных обменов.

Химические микроэлементы это необходимое «меню» организма, которое

изменяется во времени и в пространстве. В разных странах потребляемый

микроэлементный состав различен. Люди разных национальностей, этнических

групп из разных стран с детства привыкают к определѐнному

микроэлементному составу. Может быть поэтому путешественники часто

стремятся вернуться домой.

Кислород, водород, азот и углерод можно отнести к «кирпичикам» живого.

Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота.

Организмы млекопитающих, в том числе человека, содержат 70 – 90% воды.

Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и

распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко

соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным

весом. Их соединения легко растворяются в воде.

В результате радиоастрономических наблюдений, получены точные данные,

подтверждающие то, что органические вещества – химические элементы

способные сформировать органические молекулы, возникли в космосе не

только до появления жизни на Земле, но и до формирования нашей планеты.

Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения

присутствовали на Земле уже при ее образовании.

При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов –

веществ, в состав которых входит кремний) и газа. Весьма вероятно, что на

внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться.

Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок,

как это происходит при формировании капель во время дождя.


84

Таблица 1

Содержание основных жизненно важных химических элементов во Вселенной, Солнце,

растениях и человеческом организме выраженное в процентах.

Вселенная Солнце растения человек

O – кислород

H – водород

C –углерод

N – азот

He – гелий

Fe – железо

Si – кремний

0.3%

82%

0.33%

0.33%

18%

0.01%

0.01%

0.25%

87%

0.33%

0.33%

13%

0.04%

0.004%

79%

10%

3%

0.28%

0

0.15%

0.15%

65%

10%

18%

3%

0

0.254%

0.254%

Химические и палеонтологические исследования древнейших

докембрийских отложений (4 – 3.5 млрд. лет назд) и особенно многочисленные

модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали

на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях

происходило образование все более сложных органических веществ.

Кембрийский период (Cambria – лат. название Уэльса, Великобритания) начался

570 млн. лет назад и продлился 80 млн. лет. В этот период широко

распространены морские отложения – результат обширных перемещений моря.

Условия возникновения жизни

Жизнь возможна только при определенных физических и химических

условиях (диапазон температур, влажность, давление, электрическая активность

атмосферы, присутствие воды, солей, уровень радиации, время). Взаимное

удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение

приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то

плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы

существовать.

Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад,

если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы

возникнуть. Планеты тоже должны пройти определѐнный путь формирования,

они должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.

Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян

или глубоком замораживании мелких организмов, часто не ведет к потере

жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, то при

возвращении к нормальной температуре и влажности жизненные процессы

восстанавливаются.

Планета Земля является уникальной в Солнечной системе, она больше

других подходит для формирования жизни. Возраст Земли около 4.5

миллиардов (109) лет. Температура поверхности в начальный период

оценивается расчѐтами учѐных как 4000-8000 С. По мере того как Земля

остывала, углерод и тугоплавкие металлы превращались из газообразного


85

состояния в жидкое и потом в твѐрдое. Таким образом и образовалась земная

кора. Сердцевина Земли до сих пор остаѐтся горячей, и мы видим выбросы лавы

при извержениях вулканов в различных частях света.

Атмосфера Земли в те далѐкие времена состояла из лѐгких газов.

Первичный состав атмосферы зарождающейся планеты определяется при

анализе древних горных пород, и изучении других планет Солнечной системы.

Атмосфера состояла из водорода и соединений углерода (метан – CH4, азота –

N2, аммиак – NH3). Кислород, который сейчас входит в нашу атмосферу и

является обязательным компонентом окислительных процессов (дыхание), не

мог быть удержаны в атмосфере слабым гравитационным полем молодой

планеты из-за малой плотности еѐ состава. Первичное отсутствие кислорода,

однако, было необходимым условием возникновения жизни. Эксперименты

смоделированныѐ в лабораторных условиях показывают, что органические

вещества гораздо легче создаются в восстановительной (щелочной) среде, чем в

богатой кислородом (окислительной среде).

Русский учѐный и общественный деятель

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945)

полагал, что жизнь на Земле появилась

одновременно с еѐ образованием. Он объединил

комплекс современных наук о Земле – геохимию,

биогеохимию, радиогеологию, гидрогеологию и др.

Вернадский считал, что все геологические

процессы в земной коре (геология) происходили и

происходят при химическом действии на неѐ

органических (биологических) веществ и живых

организмов. А.И.Опарин считал, что периоду

развития жизни предшествовал длительный период

химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд. лет тому назад)

образовались сложные органические вещества и первичные клетки

(протоклетки). Только с возникновением последних началась биохимическая

эволюция. Влияние еѐ на геологические процессы Земли, Опарин оставлял за

скобками своих исследований.

Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных

глубинах Земли и выноситься на еѐ поверхность при вулканической

деятельности. Потом они могли попадать в океан. Известны три способа синтеза

природных органических веществ. Опарин считал, что органические вещества

могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих

реакций синтеза, доставляла интенсивная солнечная радиация

(преимущественно ультрафиолетовое излучение и космические лучи). Она

достигала Земли до того, как образовался слой озона, который стал задерживать

большую ее часть. Разнообразие находящихся в естественных и самых больших

водоѐмах – океанах простых соединений, доступность энергии и масштабы

времени позволяют предположить, что именно в океанах накопились

органические вещества и образовался тот самый «бульон», из которого и

возникла жизнь.

Возникновение органических молекул во Вселенной

Современная астрофизика говорит, что только в оболочках образующихся

сверхновых звѐзд могут образовываться элементы более тяжѐлые, чем железо.

Поэтому существует и другая концепция происхождения органических


86

соединений. Они могли образоваться во Вселенной из неорганических веществ

возникающих при рождении сверхновых звѐзд (супернова). Рождение

сверхновой звезды есть взрыв сгустка сверхплотной (до 1017

кг/м3) материи.

При таком взрыве за короткое время, порядка одной секунды, происходят

цепные реакции, сопровождающиеся образованием большого числа нейтронов,

что и может приводить к образованию тяжѐлых элементов. Малое время

рождения тяжѐлых элементов объясняет их малую распространѐнность во

Вселенной по сравнению с элементами легче железа Fe57

26. Последние имеют

гораздо больше времени на своѐ образование из первичного водорода в ядрах

массивных звѐзд.

Самым распространѐнным химическим элементом во Вселенной является

водород, однако на нашей планете в большем количестве распространены более

тяжѐлые химические вещества. Земля, растения, животные и человек состоят из

более тяжѐлых элементов, по сравнению с теме которые в большей степени

распространены во Вселенной. Происхождение тяжѐлых элементов – это

научная проблема которая также важна как и проблема возникновения жизни

(живых организмов). Таблица 1 показывает несоответствие распространѐнности

химических элементов во Вселенной с их относительным содержанием в

Земной коре и в живых организмах.

Считается, что наша планета образовалась из внутренней части

космического протооблака, окружающего Солнце несколько миллиардов лет

назад. Эта часть облака и была богата более тяжѐлыми элементами. В звѐздах,

Солнце одна из звѐзд, идут постоянные реакции термоядерного синтеза изотопы

водорода соединяѐтся в атомы гелия, что ведѐт к выделению огромной тепловой

и лучистой энергии. Когда «запас горючего» в звезде выгорает, происходит

быстрое сжатие звѐзды и еѐ разогрев. Последнее приводит к реакциям, в

результате которых образуются более тяжѐлые элементы, вплоть до железа – Fe

(массовое число до 52-56). Более тяжѐлые элементы в таких звѐздах

образоваться не могут, так как при дальнейшем утяжелении ядер возникают

неустойчивые изотопы.

Нуклеиновые и аминокислоты

Для построения любого сложного органического соединения, входящего в

состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров

(низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот и 5

азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого

организма. Оно состоит из аминокислот, азотистых соединений, глюкозы и

жиров. Из аминокислот построены все белки, азотистые соединения являются

составными частями всех нуклеиновых кислот, находящихся в ядрах клеток

(англ. nucleus – ядро, центр). Глюкоза (виноградный сахар, греч. glykys –

сладкий) и жиры есть источник энергии. Жиры также являются структурным

материалом из которого построены мембраны клеток. Если глюкоза, как

источник энергии, сразу готова к использованию, то жиры являются формой и

способом еѐ хранения. Отметим, что сахар является углеводом (общая формула

– Cm(H2O)n – углерод и вода). При избыточном его потреблении он быстро

трансформируется и откладывается в жир, таким образом запасается энергия.

Это справедливо и для всех других углеводов.

После того, как углеродистые соединения образовали первичный бульон,

могли уже организовываться биополимеры – органические макромолекулы. К

ним относятся все белки и все нуклеиновые кислоты, обладающие абсолютно


87

новой способностью воспроизводства себе подобных. Необходимая

концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в

результате осаждения органических соединений на минеральных частицах,

например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого

Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на

поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где

она собиралась в толстые слои. Заметим, современной химии известен процесс

объединения родственных молекул в сильно разбавленных растворах.

Непрерывное перемещение растворенных в воде веществ привело к

формированию протобионтов (греч. protos – первый; biont – независимый живой

организм). Это систем органических веществ, способных взаимодействовать с

окружающей средой – расти и развиваться за счет поглощения разнообразных

богатых энергией веществ. Уже на этом этапе возможен примитивный отбор

или спонтанная селекция более приспособленных систем. Отбор ведѐт к

постепенному усложнению и упорядоченности структур обеспечивающих

преимущество и выживание по сравнению с другими протобионтами.

Из этого следует, что эволюция (направленное, необратимое развитие)

возникала на самых ранних стадиях зарождения органических веществ. Из

примитивных органических структур выживали только те, которые сохраняли

устойчивость к дальнейшему усложнению и развитию. Впоследствии

образуются шаровидные тела, микросферы возникающие при растворении и

конденсации веществ подобных белкам.

Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ,

были искусственно воспроизведены в современных условиях. Американский

химик и биолог Стэнли Миллер (р. 1930) в 1953 г. будучи аспирантом

Кембриджского университета провѐл и опубликовал результаты следующего

эксперимента, он облучал и пропускал электрический заряд через водные

растворы углекислоты и смеси газов (CH4, NH3, H2O, H2), предположительно

составлявших первичную земную атмосферу. В результате впервые удалось

синтезировать ряд аминокислот. Таким же путѐм были синтезированы и

простые нуклеиновые кислоты. Эти эксперименты неоднократно

воспроизводились и считаются классическим подтверждением теории

происхождения жизни А.И.Опарина (1894-1980) и Д.Холдейна (1892-1964).

Эксперименты показали, что абиогенное (греч. а – отрицание; bios – жизнь;

genesis – зарождение) происхождение органических соединений вполне

возможно. Иными словами образование (генезис) органических, живых молекул

из неорганических, неживых может происходить под воздействии тепловой

энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений, а также

электрических разрядов.

Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы,

протекающие в недрах Земли. Как показывает синергетика (наука о

самоорганизации и развитии живой и неживой природы), энергия имела для

возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно

предположить, считал основатель синергетики бельгийский физхимик Илья

Романович Пригожин (1917-2003), что некоторые из первых стадий эволюции

жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и

трансформировать химическую энергию. Это выталкивало открытую

термодинамическую систему в сильно неравновесное состояние. Возникновение

неравновесных структур можно рассматривать как первый шаг к появлению

живых, т.е. открытых систем. Можно заключить, что при образовании жизни –


88

органических соединений основную роль играли вещество и энергия далѐких

звезд.

Возникновение клетки

Появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков

современная наука и называет – возникновение жизни.

Клетка – это элементарная живая система, основа строения и

жизнедеятельности всех животных и растений, существуют как

самостоятельные организмы (простейшие, бактерии) и в составе

многоклеточных организмов. Переход от сложных органических веществ к

клеткам и простейшим живым организмам до сих пор остаѐтся предметом

исследования и до конца не изучен. Современная наука имеет ряд моделей и

гипотез, а не теорий, в строгом аналитическом и количественном понимании.

Одну из таких гипотез мы и изложим.

Современная биохимия придерживается следующей концепции. На границе

сгустков органических веществ могли скапливаться молекулы сложных

углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной

мембраны (плазматической мембраны), обеспечивающей этим сгусткам –

коацерватам (лат. coacervatio – накопление) – стабильность. Если внутрь такой

протоклетки попадали органические молекулы, способные к

самовоспроизведению, то и сама клетка могла расти, делиться и воспроизводить

саму себя.

Образование мембран, которые разграничивали смеси органических

веществ от агрессивной окружающей среды, было несомненным шагом на пути

возникновения и развития жизни. Только после появления мембраны и

возникает единица живого организма – биологическая клетка. Клетка является и

главным структурным отличием живого от неживого. Вопрос перехода от

сложных неживых систем (органических макромолекул) к простым живым

организмам (клеткам) до сих пор однозначно не решѐн.

Вторым важным компонентом живой материи являются ферменты. Они

обладают часто высокой селективность воздействия и могут влиять только на

одну химическую реакцию. Таких реакций протекающих в клетках

насчитывается несколько тысяч. Последние необходимы для того, чтобы клетка

могла получить питательные вещества, синтезировать новые биологические

макромолекулы и удалить отходы. Многие из этих реакций них происходят

одновременно. Принцип действия ферментов в том, что молекулы других

веществ стремятся присоединиться к активным участкам их молекулы

фермента. Таким образом повышается вероятность столкновения химических

веществ, а, следовательно, и регулирование скоростей химических реакции.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки (греч. kytos –

вместилище; plasma – вылепленное, оформленное). Например, почти в каждой

из клеток человека синтезируется свыше 10 тыс. разных белков, всего в

человеке синтезируется около 90 тыс. белков. Размер клеток колеблется от

микрона до нескольких метров. Нервные клетки – нейроны (греч. neuron –

нерв), могут иметь отростки – аксоны (реч. axon – ось), длиной до метра и

больше. Клетки развитого живого организма сильно дифференцированы –

отличаются друг от друга. Существуют нервные, мышечные клетки, клетки

костной ткани, кожи (эпителий), слизистых оболочек, все они могут

становиться раковыми клетками. Большинство из клеток обладает


89

способностью восстанавливаться (регенерироваться), включая и нервные

клетки. Традиционно считалось, что последние не восстанавливаются.

Клетки имеющие ядро называются эукариоты (греч. eu – хорошо,

полностью; karyon – ядро). Клетки не обладающие оформленным клеточным

ядром называют прокариоты (лат. pro – вперед, вместо). Они имеют

генетический материал в виде кольцевой нити ДНК, которые не образуют

настоящих хромосом. Эти нити напоминают нынешние бактерии и сине-

зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд. лет.

К их свойствам можно отнести: подвижность, питание, способность запасать

пищу и энергию, рост, защита от внешних воздействий, размножение,

раздражимость и, как следствие, приспособляемость к изменяющимся внешним

условиям.

Приблизительно 2 млрд. лет тому назад в клетках появляется ядро.

Возникают простейшие – одноклеточные организмы с ядром. Всем известны

амѐбы и инфузории. На самом деле сегодня их существует около 25-30 тысяч

различных видов. Инфузории имеют реснички, которые работают как ноги

простейших и обеспечивают их передвижение. Амебы не имеют ресничек и

движутся за счѐт изменения формы – перетекания протоплазмы внутри

оболочки и создания выростов, при помощи которых и происходит движение.

Молекулярный механизм такого передвижения – амебоидная подвижность – до

конца непонятен.

Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные

организмы, и произошло разделение растительного или животного образа

жизни. Некоторые исследователи считают, что в появлении крупных

организмов решающую роль сыграл появившийся фибриллярный белок

коллаген (лат. fibrilla – волоконце, ниточка; греч. kolla – клей; ...genēs –

рождѐнный). На его основе впервые смогли возникнуть организмы состоящие

из тысяч и более клеток.

Первым важным результатом растительной деятельности был фотосинтез

(греч. phos, photos – свет; synthesis – соединение). При фотосинтезе происходит

создание органического вещества из неорганических углекислоты и воды при

использовании солнечного света. Кислород в атмосфере Земли появляется как

продукт фотосинтеза и накапливается в течении миллиарда лет. За сотни

миллионов лет, накапливавшиеся в земной коре остатки растений и животных,

образовали огромные энергетические запасы органических соединений

углеводородов (уголь, торф, нефть, газ).

Хемосинтез

Хемосинтез (от хемо... и synthesis – соединение) был открыт в 1887

российским учѐным, основателем микробиологии, С.Н.Виноградским (1856-

1953). Это процесс образования некоторыми бактериями органических веществ

из углекислого газа (диоксида углерода – СО2) за счет энергии, полученной при

окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы,

закисного железа и др.) Хемосинтезирующие бактерии, наряду с

фотосинтезирующими растениями и микробами, составляют группу

автотрофных организмов.

В последней четверти XX в. на дне мирового океана в тех местах куда

солнечный свет не проникает, были обнаружены подводные геотермальные

(греч. ge – Земля, therme – тепло) источники – гейзеры (исландский geysir, от

geysa – хлынуть). Их температура около 400 С. Эти источники разбросаны по


90

дну всех океанов, и везде вокруг них существует совсем другая форма жизни.

Множество видов растений и животных похожих на обычные, но без глаз и

пахнущих сероводородом. Вместо фотосинтеза растения этих видов

синтезируют органические вещества в отсутствий света, они используют

энергию полученную при хемосинтезе.

Таким образом, появилась ещѐ одна концепция происхождения жизни.

Оказывается свет и атмосфера совсем необязательны. Жизнь могла зародиться

глубоко на дне океанов без участия энергии электрических разрядов,

солнечного и космического излучения. Впоследствии видоизменяясь растения и

животные могли вышли на сушу. Последнее никем не отрицается и имеет массу

эмпирических подтверждений даже в рамках традиционных подходов.

Интересно, что в настоящее время жизнь на Земле не могла бы возникнуть

из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз

зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

Отличия живых систем от неживых

Отметим более подробно важнейшие свойства живых систем, и их отличия

от неживых:

1. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живой

организм может ассимилировать (лат. assimilatio – уподобление, слияние,

усвоение) полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя

собственным материальным структурам и за счет этого многократно

воспроизводить их.

2. При обмене веществ (метаболизме) большую роль играют петли

обратной связи, образующиеся при автокаталитических (греч. autos – сам)

реакциях. В неорганическом мире обратная связь встречается редко. В живых

системах обратная связь является скорее правилом, чем исключением. Для

создания и роста новых организмов нужна положительная обратная связь, для

их устойчивого существования – отрицательная обратная связь.

3. Компактность: в 5·10-15

гр. ДНК клетки кита, заключена информация для

подавляющего большинства признаков этого животного, взрослая особь

которого весит 50 тонн (5·107 гр.) Т.е. масса возрастает на 22 порядка (10

22).

4. Способность создавать порядок из хаотического теплового движения

молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живой

организм может потреблять отрицательную энтропию (и информацию). Это

процесс, который работает против стремления системы к тепловому

равновесию и увеличивает энтропию окружающей среды. Чем более сложно

устроен живой организм, тем более он организован и информирован.

5. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет.

6. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем

упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная

компактность и энергетическая экономичность живого (в 100 - 1000 раз более

эффективного) есть результат высочайшей упорядоченности на молекулярном

уровне.

8. Жизнь организма и его вида зависит от двух факторов –

наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости,

зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида.

9. Живые организмы способны к избыточному самовоспроизводству.

Обычно, чем меньше развит организм тем больше он воспроизводит потомства.

Размножение организмов идѐт в геометрической прогрессии. Большая часть


91

потомства умирает. Избыточное воспроизводство и изменчивость ведет к

борьбе за существование, образованию новых, более приспособленных видов –

эволюции.

У человека этот фактор эволюции (избыточное размножение) тоже

действовал на протяжении всей его истории. Сегодня для простого

воспроизводства (без роста населения) необходимо иметь в среднем 2.2-2.4

ребѐнка на семью. Однако, в наши дни рождаемость Европы, Северной

Америки, России резко упала. В Этих странах она составляет в среднем 1.2 - 1.7

ребѐнка на семью. Самый высокий показатель – 1.7 дан для современной

Великобритании. Для сравнения, во времена Уильяма Шекспира (1564-1616),

т.е. в конце XVI начале XVII века в Англии рождалось 8-9 детей, причѐм в

среднем, трое из них не доживало до 5-ти лет.

В России сегодня всего 4% семей имеют трѐх детей, например в г. Тамбове

всего около 400 таких семей. Сегодня эти семьи считаются многодетными и с

трудом могут прокормить и воспитать своих детей без помощи экономически

развитого государства. В тоже время, каждая 5-я семейная пара Российской

Федерации, а это 5 млн. пар, вообще не имеет детей.

Высокая рождаемость, естественно, сохраняла естественный отбор на

протяжении тысячелетий. Буквально после Второй мировой войны картина

резко изменилась. В развитых и богатых странах после короткого всплеска

рождаемость постепенно падала до современного состояния. Необходимо

отметить, что это сопровождалось и ростом продолжительности жизни, с ~40

лет в начале XX в. до ~60-80 в начале XXI в.

Парадоксально, но в бедных, промышленно (экономически) неразвитых

странах рождаемость остаѐтся на уровне 8-12 человек на семью, около 30%

детей умирают в детстве не дожив до десятилетнего возраста. Естественный

отбор даѐт о себе знать. В Европу существует большой приток населения из

стран Африки и Азии. В городах США и Европы 75% городского населения. Из

них коренных жителей меньше чем иммигрантов (лат. immigrans –

вселяющийся). По оценкам современных демографов (греч. demos – народ;

grapho – пишу), к 2030 г. Франция на 25% будет населена выходцами из Африки

и Азии, а ещѐ через 30 лет – на 50%.

С другой стороны, процессы миграции (массовые перемещения людей, от

лат. migratio – перехожу, переселяюсь), существовали на протяжении всей

истории человечества, и даже человекообразных обезьян (гоминид).


92

ЭВОЛЮЦИЯ ВИДОВ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Эволюция видов

Чарльз Дарвин (1809-1882) английский

естествоиспытатель, основатель эволюционного

учения. Он обратил внимание на идею «борьбы за

существование» в работе английского экономиста

Томаса Мальтуса (1766-1834) «Опыт о законе

народонаселения». В 1836 году он вернулся из

пятилетнего путешествия на военном корабле

«Бигл» (англ. beagle – сыщик, охотник) привѐз и

изучал коллекцию вьюрков с разных островов. 36

дней корабль простоял на Голопогосских островах

и Дарвину удалось собрать особи различных видов

с этих островов. На каждом острове были

различные условия питания, и вьюрки имели клювы различных форм, чтобы

легче приспосабливаться к этим условиям. В 1839 Дарвин сформулировал

основные идеи происхождения видов путѐм естественного отбора более

приспособленных видов, при изменчивости их признаков путѐм борьбы за

существование в данных условиях.

Он долго не решался опубликовать свою теорию, это было даже

небезопасно. В 1858 г. он получил статью английского естествоиспытателя

Альфреда Уоллеса (1823-1913), который развил те

же идеи. На экспериментальном материале

собственных исследований флоры и фауны

Малайского архипелага, Уоллес построил

собственную теорию естественного отбора. Дарвин

стал подумывать о том, чтобы отказаться от

публикации, однако коллеги и родственники

убедили его опубликовать его книгу, «О

происхождении видов путѐм естественного

отбора», она вышла в 1859 г. Потом Дарвин

опубликовал вторую книгу «Изменение домашних

животных и культурных растений» (1868 г.) а так

же «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.), где обосновал

гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка.

Дарвин был не первый и не единственный, кто выдвигал гипотезу о

возникновении и эволюции видов. Однако считается, что он первый научно

систематизировал набранные данные и популяризировал эту теорию. Считается,

что он был первым кто предположил, что человек произошѐл от обезьяны.

Необходимо отметить, что в те времена учѐные были вынуждены опасаться

религиозных критиков. Последние считают, что Бог создал человека и все виды

животных, человек существо духовное и, очевидно, есть творение Божье.

Утверждать, что человек мог произойти от животных было кощунственно. В

середине XIX в. сравнивать человека с обезьяной, даже в Англии, было

небезопасно. В те времена теория эволюции не была поддержана многими

учѐными, высшим английским обществом и Англиканской церковью.

В начале XXI в. британцы гордятся этой теорией. Опрос под названием

«Великие Британцы» проведѐнный в 2004 г. в Великобритании, показал, что

Дарвин входит в десятку самых великих людей Соединѐнного королевства.


93

Вымирание динозавров

Рождение и умирание видов это естественный процесс, определяющий

эволюцию. 95-99% всех существовавших на Земле видов уже вымерло. Каждый

вид существует примерно до 4-х млн. лет. Животные появились приблизительно

полмиллиарда лет назад. По последним, уточнѐнным данным порядка 570

миллионов лет назад. За это время произошло 5 глобальных катастроф при

которых вымирало большинство видов на всей Земле. Последняя такая

катастрофа была 65 миллионов лет назад. Получены убедительные

свидетельства, что астероид размером больше горы Эверест (10 км) врезался в

землю со скоростью 40 тыс. км в час (космические корабли движутся примерно

с такими же скоростями). Столкновение астероида с Землѐй было эквивалентно

взрыву 100 млн. тонн тротила. Такой взрыв должен был оставить кратер

порядка 100 км в диаметре. Такой кратер нашли в юго-восточной части

Северной Америки, в Мексиканском заливе, 300 м в глубину и 120 км в

диаметре.

Считается, что ко времени этого события атмосфера Земли уже была

отравлена ядовитыми газами извергающимися из кратеров вулканов. Падение

астероида окончательно спровоцировало вымирание видов больших размеров и

динозавров. Динозавры – в переводе означает «ужасные ящеры». Название

придумано Английскими учѐными в середине XIX в. когда было найдено много

останков несуществующих животных огромных размеров. Динозавры это

холоднокровные рептилии, их тело имеет температуру окружающей среды. Это

приводит к тому, что ночью они менее активны, а днѐм, когда температура

воздуха поднимается, более активны. Динозавры господствовали на Земле на

протяжении 160 миллионов лет.

После падения астероида вымерли не только динозавры, вымерли все виды

глобальная катастрофа и привела к вымиранию динозавров и созданию условий

для развития млекопитающих, которые раньше прятались в норах, а теперь

смогли выйти на открытое пространство. Млекопитающие в то время были

очень маленькие, размером с современных мышей и меньше. Именно по этому

им было сложно конкурировать с динозаврами за территорию и пищу, но они

смогли выжить после удара астероида.

Палеоантропологические находки

В 1969 г. в Эфиопии были найдены хорошо сохранившиеся (на 40%) останки

самки гоминида возрастом около 3.2 миллиона лет. Это был австралопитек

афаренсис (Australopithecus aphaeresis). Между собой исследователи назвали эту

особь Люси (Lucie в честь модной в те годы песни группы Биттлз). Еѐ рост был

чуть больше одного метра, объѐм мозга составлял 1/3 от мозга современного

человека. Строение таза говорило о том, что эти гоминиды были прямоходящие,

что было серьѐзным событием в антропологии. До этого, самые старые останки

известные науке были возрастом около 100 тыс. лет.

Данной находкой было подтверждено, что в течении одного миллиона лет (4

- 3 млн. лет назад) в Африке, на территории современной Эфиопии возникли

человекообразные обезьяны – австралопитеки (лат. australis – южный, греч.

pithekos – обезьяна). Они жили и перемещались в группах по 8-10 особей.

Самцы всѐ время оставались в одной группе, а самки переходили из одной

группы в другую, это позволяло избежать инбридинга (англ. inbreeding –


94

внутреннее кровосмешение; in – внутри; breeding – разведение, размножение).

Видимо, те группы в которых был такой переход выжили, остальные не смогли

конкурировать и вымерли.

Австралопитеки жили примерно 300 тысяч поколений назад от нас с вами.

Они стали ходить на задних конечностях. Это помогало им видеть дальше и

раньше замечать добычу и видеть приближение хищника. Передние конечности

освобождались и развивали свои новые функции. Они использовали палки для

откапывания корней, когда не хватало фруктов. Начали есть мясо, но мозг был

маленький, как у современной шимпанзе. Развившееся цветовое зрение легко

позволяло находить спелые фрукты, но в тоже время ночное зрение ослабло и

они не могли конкурировать с ночными животными. По ночам они спали на

деревьях, что помогало избегать нападения хищников.

В 1984 г. в Кении (остров Туркана) были найдены кости гоминида которого

назвали гомоэректус (Homo erectus – человек прямоходящий). Этот вид заселил

Африку после австралопитеков и просуществовал в течении около 2-х млн. лет.

Гомоэректус изготавливал и использовал инструменты, использовал огонь, но

не мог его получать, размер его мозга был около 2/3 от нашего, рост достигал до

2-х метров, вымер около 500 тыс. лет назад. Исследования возможного

повеления привели к выводам, что этому гоминиду приходилось бороться с

хищниками африканских саванн, в основном леопардами, и с многочисленными

пожарами возникающий в результате ударов молний. Если пожары можно было

избежать, то при борьбе с более быстрыми, ловкими и сильными леопардами у

гомоэректуса не было никакого шанса выжить. Предполагается, что он смог

обернуть одно против другого, скорее всего он использовал огонь и тем самым

защищался от нападения леопардов. На кострах он также поджаривал мясо и

принимал его в пищу. Это давало большое количество белка и способствовало

росту и развитию мозга.

В 2002 г. был найден гоминид, который жил около 7 миллионов лет назад,

его назвали Тумай (Toumai). Этот гоминид имел череп обезьяны с зубами

человека. Таким образом, современная наука увеличила возраст

человекообразных обезьян до семи миллионов лет.

Современная молекулярная генетика позволяет исследовать историю

развития человека не по морфологическим (внешним) признакам его останков, а

по количеству и характеру мутаций в генотипе популяции и индивидов.

Мутации накапливаются в одном виде и умирают с ним, это позволяет

использовать их как молекулярные часы и определять возраст вида, по живым и

умершим особям. Если мы возьмѐм генетические пробы из ископаемых

останков и у ныне живущих людей, желательно у обособленных племѐн,

которые долгое время не смешивались с внешним миром, то можем

подтвердить или опровергнуть их родство.

В пустыне Калахари в Африке найдено живѐт племя Сан, принадлежащее к

бушменской расе (нидерл. bosjesman – лесной человек). Исследователи

утверждают, что их генетические пробы показывают, что это племя самое

древнее на земле и его представители является прямым потомками тех людей

которые выжили 60-40 тыс. лет назад.

Появление обезьян

35 миллионов лет назад появились первые обезьяны, и примерно 5-7

миллионов лет назад первые человекообразные обезьяны. Около 4-х миллионов

лет назад обезьяны слезли с деревьев и стали передвигаться на задних


95

конечностях, высвобождая при этом руки. 2.5 миллионов лет назад они стали

использовать каменные орудия и есть мясо. 60 тысяч лет назад приматы стали

покидать Африку через Суэцкий перешеек и направляться на территории

современной Европы, России, Ирака, Индии. 40 тысяч лет назад появился

(Homo Sapiens или кроманьонец). Когда он пришѐл в Европу она была заселена

неандертальцами и они стали конкурировать друг с другом за территорию и

средства к существованию.

На протяжении миллиона лет каменные орудия труда неандертальцев не

менялись. Не найдено ни одного наскального рисунка сделанного ими.

Неандертальцы хоронили своих сородичей, но эти захоронения сильно

отличались от захоронений кроманьонцев. Последние клали в могилу

различные вещи, наряжали умерших, следовательно у них были представления

о загробной жизни, а это могло послужить основой для развития религии У

кроманьонцев начала развиваться система символов и речь. Следовательно они

могли передавать навыки и информацию – обучаться.

Исследования гортани неандертальцев показали, что оны была расположена

значительно ваше чем у кроманьонца и современного человека. Это говорит о

том, что речь у неандертальцев была, но очевидно, существенно хуже развитая

чем у кроманьонцев.

Обмен информацией чрезвычайно важен для жизни и развития организмов,

он аналогичен репликации ДНК – удвоение и копирование. Обезьяна знает

только то, что видит сама. Человек стал передавать информацию об увиденном

другим людям. Это даѐт возможность придумывать истории, и на вербальном

(словесном) уровне организовывать (управлять, манипулировать) другими

людьми.

Существует объективная характеристика умственного развития того или

иного биологического вида. Этот коэффициент есть соотношение среднего

объѐма мозга особей данного вида к средней массе тела этого вида.

Традиционно считалось, что у человека разумного этот коэффициент самый

высокий. Однако, некоторые исследователи считают, что у неандертальцы были

не только крупнее и сильнее кроманьонцев, но и имели больший относительный

объѐм мозга. Из этого можно сделать вывод, что неандертальцы могли быть

умнее, а кроманьонцы – более агрессивны.

Человек разумный

Человек, общественное существо, обладающее сознанием, разумом, субъект

общественно-исторической. деятельности и культуры. Наука считает, что

человек возник на Земле в ходе длительного и неравномерного эволюционного

процесса – антропогенеза (гр. anthrōpos – человек; genesis – происхождение,

зарождение). Многие этапы этого процесса до конца не ясны.

Современная наука считает, что около 7.5 миллионов лет назад африканские

обезьяны разделились на 2 ветви: одна привела к человекообразным обезьянам

(шимпанзе и др.), другая - к первым гоминидам (австралопитекам, которые

ходили на дух ногах).

Вероятно, около 2 млн. лет назад австралопитеки дали начало роду

«человек» (Homo), первым представителем которого ученые считают «человека

умелого» (Homo habilis), его ископаемые остатки находят вместе с

древнейшими каменными орудиями. Около 1.6-1.5 млн. лет назад в Вост.

Африке этот вид сменился «человеком прямоходящим» (Homo erectus).

Различные по особенностям морфологии и степени развития представители


96

этого вида (архантропы, палеоантропы) начали расселяться из Тропической

Африки по всему континенту, а также переходить в Европу и Азию.

По поводу времени, места возникновения и непосредственных предков

человека современного вида «человека разумного» (Homo sapiens) до сих пор в

науке нет единого мнения. Согласно одной, наиболее распространѐнной

гипотезе, он возник в Африке около 200 тыс. лет назад, потом через 140-150

тыс. лет произошѐл резкий (причина не ясна) скачѐк в его развитии и появился

современный человек. Он был прямоходящий, с размером мозга 1600 см3, как у

современного человека. Примерно 60-40 тыс. лет назад гомо сапиенс резко

изменился, он стал говорить, делать наскальные рисунки, хоронить трупы

умерших. Согласно другой концепции, формирование человека разумного

(сапиентация) происходило постепенно и одновременно в разных частях

планеты.

Многие современные учѐные считают, что очень сильное извержение

вулкана произошедшее 75 тыс. лет назад в Индонезии могло повлиять на

развитие человека. После этого извержения климат на планете сильно

изменился. В Европе происходило сильное падение температуры и началось

обледенение (ледниковый период). В Африке температура падает не столь

значительно, но стало заметно суше. Это приводит к уменьшению количества

лесов, пищи, воды и, как следствие, к уменьшению количества людей, но они

выжили как вид и стали более развиты.

Некоторые исследователи утверждают, что численность популяции людей

могла упасть до 1000-2000 индивидов, в такой ситуации борьба за

существование приобретала особый характер. Затем повсюду на Земле человек

вытеснил более древних приматов Неандертальцев.

Около 40 тыс. лет назад, человек разумный становится единственным

представителем семейства гоминид и заселяет практически всю Землю.

Считается, что за эти тысячелетия биологически человек не изменился. Как

биологический вид человек имеет множество общих признаков с

млекопитающими, прежде всего с обезьянами. Специфические особенности

человека, резко выделяющие его из мира животных: прямохождение, высокое

развитие головного мозга, мышление и членораздельная речь. Археологи

подтверждают, что 40 тыс. лет назад возникло наше искусство, в погребениях

умерших возникли признаки символизма, что говорило о духовности человека и

его вере в загробную жизнь (зарождение религии). Человек стал творить, он мог

представить себе нечто, и потом сделать это. Членораздельная речь, и

впоследствии письменный язык позволил передавать информацию из поколения

в поколенья и более эффективно осуществлять обучение.

Структурно мозг человека и обезьян тоже отличается. Области мозга,

которые отвечают за слух и зрение и центры удовольствия человека

расположены довольно близко и могут обмениваться информацией, в отличии

от аналогичных центров мозга обезьян. Возможно, это и объясняет почему

человек смог верить не только тому, что он видит сам, но и представлять то, о

чѐм ему рассказывают другие (верить на слово).

Сейчас вид Homo sapiens доминирует по всему земному шару. Его

количество достигло беспрецедентной цифры – 6 миллиардов человек. Это

примерно в сто тыс. раз больше чем количество сравнимых по размеру

животных. Люди распространились повсеместно и продолжают мигрировать.

Представьте, что в данный момент 100 тысяч человек пересекают


97

Атлантический океан двигаясь из восточного полушария в западное. Важно, что

люди с необычайной эффективностью и скоростью уничтожают другие виды

растений и животных. Можно предположить, что это закончиться шестой

глобальной катастрофой вымирания видов, это может привести и к вымиранию

самого человека разумного.

Если сравнить возраст Земли (~4.5 миллиардов лет) с сутками (24 часа), то

гоминиды существуют всего 2 минуты, а люди всего одну секунду.

Коэволюция

Русский географ и геолог Пѐтр Александрович Кропоткин (1842-1921)

полагал, что взаимопомощь есть более важный факт эволюции, чем борьба. В

своей книге «Взаимная помощь как фактор эволюции» (1902) он попытался

объяснить, что феномен альтруизма и взаимопомощь, не даѐт особям популяции

никаких генетических преимуществ. В 30-х годах XX в. на основе достижений

генетики была сформулирована синтетическая теория отбора (СТЭ)

(Н.И.Вавилов, И.И.Шмальгаузен, Н.В. Тимофеев-Ресовский и др.) В 60-е годы

возникает эволюционная биология, разделом которой является молекулярная

эволюция. В 1971 г. американский исследователь Роберт Трайверс

сформулировал эту мысль в терминах современной эволюционной науки, и

разработал теорию взаимного (реципрокного) альтруизма.

Коэволюция это совместное развитие, она объясняет привязанность

млекопитающих и человека к своему потомству, заботу, альтруизм,

повиновение вожакам. Существуют математические модели «хищник-жертва» и

«паразит-хозяин», которые показывают, что если хищники исчезают, то и их

жертвы вымирают вслед за ними. Симбиоз это форма тесного сожительства

(сосуществования) двух организмов разных видов, которая может существенно

влиять на развитие видов. Может ли из такого симбиоза возникнуть новый

организм – это до сих пор вопрос нерешѐнный.

В настоящее время многие исследователи рассматривают эволюционную

теорию Дарвина (борьбу за существование, изменчивость и наследственность

подходящих признаков) как одну из гипотез, так как на многие возражения эта

теория не даѐт ответа. Однако, мало кто отрицает, что сама эволюция –

необратимое историческое развитие живой природы – существует.

Хоббиты

В 2002 г. на острове Флорес в Юго-

восточной Азии (Филиппины) в пещере были

найдены останки очень маленьких по росту,

около одного метра, человека который вымер

всего несколько тысяч лет назад, его назвали

Человек флоресский (Homo floresiensis) или

просто Хоббит (по ассоциации с маленькими

героями книг Д.Р.Толкиена "Властелин колец").

Местные жители острова Флорес хранят

легенды о маленьких человечках, которые, как

они считают, встречались ещѐ 300 лет назад.

Возраст останков оценили в 13 тыс. лет,

Гомо сапиенс здесь появился 25 тыс. лет назад,

следовательно два различных вида могли

сосуществовать довольно долгое время. Скелет,


98

предположительно самки, неплохо сохранился: у него не хватало только рук.

Строение таза свидетельствовало о том, что существо передвигалось на двух

ногах, а стертые зубы говорили о его зрелом возрасте. Ростом оно было с

трехлетнего ребенка, а головной мозг был не больше, чем у самых мелких из

известных австралопитеков. Среди других примитивных признаков ученые

отметили широкий таз и длинную шейку бедренной кости, что свидетельствует

о прямохождении. Остальные характеристики: мелкие зубы, узкий нос, общая

форма мозговой части черепа и толщина костей, напоминали Homo sapiens.

Среди костей исследователи обнаружили целый набор сложных

инструментов: искусно сделанных наконечников, крупных пластин, шил и

мелких пластин, которые могли прикрепляться к рукояткам и использоваться

как острия копий. Находки навели ученых на мысль, что флоресские люди

регулярно охотились на животных. Однако их размер мозга был такой же как у

первых гоминид, порядка 360 см3, а последние не могли делать такие сложные

орудия труда.

В начале XX в. некоторые антропологи (например Юлиус Колман, 1906 г.),

считали, что прямых предков человека следует искать не среди больших

человекоподобных обезьян с плоским черепом, а в более ранней области

зоологической шкалы, т.е. среди мелких обезьян с заостренной головой, из

которых, скорее всего, развилась человеческая раса доисторических пигмеев.

Именно этим объясняются постоянные упоминания о них (карлики, гномы,

толи) в мифологии и фольклоре разных народов.

Выяснилось, что эволюция человека не шла по прямой линии, как это

предполагалось ранее. Эволюцию можно представить в виде дерева, у которого

было много тупиковых ветвей, многие из которых которые не дали ныне

живущего потомства. Последнее сейчас изучается при помощи эволюционной

генетики, науки которая даѐт однозначные ответы с вероятностями до 99.999%.


99

ЛИТЕРАТУРА

Учебники

1. Концепции современного естествознания. Под ред. В.Н.Лавриненко,

В.П.Ратникова. – М: ЮНИТИ, 1997. – 271 с.

2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.И. Естествознание. – М: Агар,

1996. – 384 с.

3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М: Акад.

Проект, 2003 – 640 с.

4. Горелов А.А. Концепции современного естествознания, курс лекций. –

М: Центр, 1997. – 208 с.

5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания, учебник. / под

ред. М.Ф.Жукова – М: ЮКЭА, 2005. – 832 с.

Дополнительная литература

6. В.И.Вернадский Философские мысли натуралиста. – М: 1988.

7. Винер Н. Кибернетика. – М: 1968.

8. Хокинг С. Краткая история времени. – М: 1990.

9. Кун Т. Структура научных революций. М: 2003.

10. Большая советская энциклопедия. / гл.ред. А.М.Прохоров – М: Сов.

Энцикл., 1969-1978. – 30 т.

11. Журнал «Scientific American», 1996-2006 гг.

12. Журнал «В мире науки», 2002-2006 гг.

Журнал «История науки и техники», 200-2006 гг.


100

ВОПРОСЫ К ЗАЧЁТУ

1. Предмет курса КСЕ.

2. Объяснение, понимание, предсказание в науке.

3. Виды научных законов.

4. Научный метод и единство науки.

5. Возникновение и этапы развития науки.

6. Иерархия уровней химического знания. Основная проблема химии.

7. Учение о составе - история и современность.

8. Структурная химия.

9. Учение о химическом процессе.

10. Эволюция молекулярных систем.

11. Развитие промышленности, технологии и химия.

12. Структурные уровни организации материи и их характеристика.

13. Возникновение жизни на Земле.

14. Концепция структурных уровней в биологии.

15. Концепция эволюции в биологии.

16. Микроэволюция и макроэволюция в биологии.

17. Космология и космогония.

18. Фундаментальные силы в природе.

19. Законы сохранения.

20. Термодинамика.

21. Физика микромира.

22. Взаимодействие в микромире. Квантование величин.

23. Основные проблемы кибернетики.

24. Основные проблемы синергетики.

25. Естественнонаучная картина мира.

26. Концепция относительности пространства и времени.

27. Революции в естествознании. Смена парадигмы.

28. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

29. Основные особенности научно-технической революции.

30. Характерные черты науки и ее отличие от других отраслей культуры.

31. Предмет естествознания и его отличие от других наук.

32. Структура естественнонаучного познания.

33. Всеобщие, общенаучные и конкретно-научные методы познания.

34. Специфика научных революций и научные революции в XX в.

35. Модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной.

36. Происхождение и развитие галактик и звезд.

37. Происхождение солнечной системы и развитие Земли.

38. Главные выводы общей и специальной теории относительности.

39. Главные результаты квантовой механики.

40. Значение синергетики для современной науки.

41. Происхождение, развитие и виды материи.

42. Современные представления о пространстве и времени.

43. Характеристика основных физических взаимодействий.

44. Модели происхождения жизни и отличие живого от неживого.

45. Основные проблемы генетики и механизм воспроизводства жизни.

46. Понятия и законы экологии.

47. Основные положения общей теории эволюции и концепции коэволюции.

48. Основные результаты этологии.


101

49. Учение о биосфере В. И. Вернадского.

50. Происхождение и эволюция человека.

51. Основные результаты социобиологии.

52. Теория этногенеза Л. Н. Гумилева.

53. Развитие нервной системы и изучение мозга.

54. Основные результаты кибернетики.

55. Модель «расширяющегося сознания» и ее соотношение с классическими

представлениями.

56. Понятие закона и целесообразности.

57. Концепция ноосферы и ее научный статус.

58. Значение естествознания для культуры.

59. Будущее естествознания.

60. Личность ученого и этика науки.


102

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ ПО КУРСУ

1. Что такое наука? Ее основные черты и отличия от других отраслей культуры.

2. Что такое естествознание и его отличия от других наук?

3. Сущность и основные особенности научно-технической революции.

4. Специфика научных революций.

5. Научная революция XX века.

6. Классификация естественных наук


8. Общенаучные и конкретно-научные методы исследования.

9. Теория познания и современное естествознание.

10. Основные методологические концепции развития современного

естествознания.

11. Современная научная картина мира.

12. Этические проблемы естествознания.

13. Перспективы естественнонаучного познания.

14. Концепции сциентизма и антисциентизма.

15. Место и роль науки в общественной жизни современного человека.

16. Связь современного естественнонаучного познания с техникой.

17. Экологическое значение естествознания.

18. Роль математики в современном естествознании.

19. Большой Взрыв и развитие Вселенной.

20. Происхождение и развитие галактик и звезд.

21. Происхождение Солнечной системы.

22. Современные проблемы астрофизики.

23. Проблемы происхождения и развития Земли.

24. Основные положения глобальной тектоники.

25. Главные выводы специальной и общей теории относительности.

26. Современные проблемы квантовой механики.

27. Роль вероятностных методов в классической физике и квантовой механике.

28. Значение синергетики для современного естественнонаучного познания.

29. Общенаучное значение понятия энтропии.

30. Проблемы соотношения вещества и поля, материи и энергии.

31. Роль симметрии и асимметрии в научном познании.

32. Проблемы соотношения сохранения и эволюции.

33. Современные представления о пространстве и времени.

34. Характеристика основных физических взаимодействий.

35. Основные проблемы современной химии.

36. Проблема детерминизма и индетерминизма в современном естествознании.

37. Проблема сущности живого и его отличия от неживой материи.

38. Естественнонаучные модели происхождения жизни.

39. Основные проблемы генетики и роль воспроизводства в развитии живого.

40. Современные проблемы цитологии и роль клетки в развитии живого.

41. Основные проблемы синтетической теории эволюции.

42. Роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого.

43. Основные проблемы экологии и роль среды для жизни.

44. Закономерности развития экологических систем.

45. Роль разнообразия в живой природе.

46. Учение В. И. Вернадского о биосфере.

47. Иерархическое строение биосферы и трофические уровни.

48. Механизмы обратной связи и их значение.


103

49. Организация и самоорганизация в живой природе.

50. Основные проблемы этологии и роль агрессии в эволюции видов.

51. Гипотеза Геи-Земли как единого организма и ее естественнонаучное обоснование.

52. Основные различия между растениями и животными.

53. Представление о коэволюции.

54. Влияние космического излучения и солнечной энергии на живые тела и

общественные процессы.

55. Новые данные о происхождении человека и поиски его прародины.

56. Основные проблемы социобиологии.

57. Человек как предмет естествознания и обществознания.

58. Естественнонаучный статус психоанализа.

59. Бихевиоризм и проблема психогенеза.

60. Модель «расширяющегося сознания» и ее соотношение с классическими

представлениями.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

1. Наука – ее основные черты и отличия от других областей культуры.

2. Естествознание - характерные черты и отличия от других областей науки.

3. Сущность и основные особенности научно-технической революции.


5. Общенаучные и конкретно-научные методы исследования.

6. Современная научная картина мира.

7. Место и роль науки в современном мире.

8. Связь науки и техники.

9. Роль математики в естествознании.

10. Что такое синергетика.

11. Что такое кибернетика.

12. Великие законы сохранения.

13. Общенаучное значение некоторых общих понятий (энтропия).

14. Представление о симметрии (асимметрии) и научное познание.

15. Проблемы соотношения сохранения и эволюции.

16. Основные типы физических взаимодействий,

17. Генетика (история и современность).

18. Жизнь - модели происхождения.

19. Что такое живое существо.

20. Теория эволюции (история и современность).

21. Структурная химия (история и современность).

22. Эволюционная химия.

23. Учение о химических процессах (история и современность).

24. Структурная химия (история и современность).

25. Химическая промышленность (история и современность).

26. Молекулярно-генетический уровень в биологии.

27. О катализаторах и ферментах.

28. Что такое филогенез и онтогенез.

29. Что такое цитология.

30. Популяционно - биоценотический уровень в биологии.

31. Учение о биосфере.

32. Концепция ноосферы (история и современность).

33. Современная энергетика.

34. Что такое информация.


104

35. Философские проблемы естествознания.

36. Проблемы логики и методологии науки.

37. Эволюция научных идей.

38. Великие научные эксперименты.

39. Основные проблемы парапсихологии.

40. Основные методы современной нейрофизиологии.

41. Проблемы этнологии и теория пассионарности Л Н. Гумилева.

42. Современная кибернетика и еѐ проблемы.

43. Роль информации как общенаучного понятия, его соотношение с веществом и

энергией.

44. Системный, структурный и функциональный подход в современном

естествознании.

45. Донаучное, научное и теологическое понимание целесообразности.

46. Соотношение глобальной экологии, социальной экологии и экологии человека.

47. Концепция ноосферы и ее научный статус.

48. Естественнонаучное обоснование нравственности.

49. Наука как эволюционный механизм.

50. Проблема множественности разумных миров и изучение НЛО.


105

ГЛОССАРИЙ

абсолютная температура (термодинамическая температура) – температура,

отсчитываемая от абсолютного нуля. Понятие было введено У.Томсоном (лордом

Кельвином), в связи с чем шкалу назвали шкалой Кельвина или термодинамической

температурной шкалой. Единица измерения – кельвин (К). 1К = 1ºС. Значения связаны с

температурой по шкале Цельсия (tºС) соотношением t = Т – 273,16 К.

автотрофы (греч. autos – сам; trophe – пища, питание) – автотрофные организмы

синтезируют все необходимое из неорганических веществ (воды, углекислоты, азота.)

Используют фотосинтез (все зеленые растения) и хемосинтез (некоторые бактерии.) Ср.

гетеротрофы.

агрономия (греч. agros – поле; nomos – закон) – наука о законах полеводства, научная

основа сельскохозяйственного производства. Агрономические правила и наставления были

известны в Др. Египте, Др. Греции, Китае, Индии, Др. Риме. С кон. 18 в.

совершенствовались системы земледелия, разрабатывались теории питания растений,

методы семеноводства, защиты растений от болезней и вредителей. Со 2-й половины XIX

в. в составе агрономии развиваются земледелие, растениеводство, агрохимия,

почвоведение, селекция (лат. selectio – выбор, отбор). Большие заслуги в становлении и

развитии агрономии принадлежат российским ученым А.Т. Болотову, А. Тэеру, В.В.

Докучаеву, К.А. Тимирязеву, Д.Н. Прянишникову, И.В. Мичурину, Н.И. Вавилову и др.

Основные разделы современной агрономии: земледелие, агрохимия, агрофизика,

растениеводство, селекция, семеноведение, фитопатология (греч. phyton – растение; pathos

– страдание, болезнь), мелиорация (лат. melioratio – улучшение).

агрофизика (греч. agros – поле; physikē, physis – природа) – наука о физических

процессах в почве и растениях, применении методов и средств, регулирующих физические

условия жизни сельскохозяйственных культур (температурный режим почвы,

освещенность), для ускорения их созревания и повышения урожайности. Сформировалась

в XX в. Становление агрофизики связано с именами Э. Рассела, А. Ф. Иоффе, Д. Н.

Прянишникова и др.

агрохимия (греч. agros – поле; physikē, physis – природа) наука о химических

процессах в почве и растениях, минеральном питании растений, применении удобрений и

средств химической мелиорации почв; основа химизации сельского хозяйства.

Сформировалась во 2-й пол. 19 в. Становление агрохимии связано с именами А. Тэера, Ю.

Либиха, Д. И. Менделеева, Д. Н. Прянишникова и др.

алгебра (араб.) – часть математики, развивающаяся в связи с задачей о решении

уравнений, где вместо конкретных чисел используются неизвестные. Решение уравнений

1-й и 2-й степеней известно еще с древности. В современной алгебре изучается общая

теория совокупностей, в которых определены алгебраические операции, аналогичные по

своим свойствам действиям над числами. Такие операции могут выполняться, напр., над

многочленами, векторами, матрицами и т.п.

альтруизм (фр. altruisme, от лат. alter – другой) – термин введенный О.Контом как

противоположный по смыслу эгоизму. Популяции, которые обладают

самопожертвованием, находятся в более выгодных условиях, чем те которые заботятся

только о себе. Рабочие пчелы умирают, жаля других. Африканские термиты выделяют яд,

от которого гибнет враг и они сами.

анализ (греч. analysis – разложение) расчленение (мысленное или реальное) объекта на

элементы. Неразрывно связан с синтезом (соединением элементов в единое целое).

Синоним научного исследования вообще. В формальной логике – уточнение формы или

структуры рассуждения.


106

анизотропия (греч. anisos – неравный; tropos – направление) – зависимость свойств

среды от направления. Например характерна для механических, оптических, магнитных,

свойств кристаллов. Ср. изотропия.

апейрон (греч. apeiron – бесконечное, беспредельное) – термин древнегреческой

философии. У ранних философов – свойство первоэлементов, у Платона и пифагорейцев –

синоним материи. Анализ понятия апейрон дан Аристотелем в его работе «Физика».

априори (лат. apriori – из предшествующего) – понятие логики и теории познания,

характеризующее знание, предшествующее опыту и независимое от него. Введено в

средние века в схоластике в противоположность апостериори. В философии Канта

априорное знание (пространство, время, категории) есть условие опытного знания,

придающее ему оформленный, всеобщий и необходимый характер.

апостериори (лат. aposteriori – из последующего) – происходящее из опыта. Понятие

теории познания, противоположное априори.

Аристотель (384-322 до н.э.) – древнегреческий философ и учѐный, учился у Платона в

Афинах. В 355 г. но н.э. основал Ликей (Lýkeion – школа на окраине Афин, где был

расположен храм Аполлона Ликейского). Воспитатель Александра Македонского,

сочинения Аристотеля охватывают все отрасли тогдашнего знания. Основоположник

формальной логики, создатель силлогистики. Аристотель находится между материализмом

и идеализмом. Идеи (формы, эйдосы) – внутренние движущие силы вещей, неотделимые

от них. Источник движения – вечный и неподвижный «ум», нус (перводвигатель); ступени

природы: неорганический мир, растения, животные, человек. «ум»; разум отличает

человека от животного; человек – существо общественное; суть искусства – подражание.

атомная масса – масса атома, выраженная в атомных единицах массы. Атомная масса

меньше суммы масс, составляющих атом частиц (протонов, нейтронов, электронов), на

величину, обусловленную энергией их взаимодействия.

атомный номер (порядковый номер) – Z, номер химического элемента в

периодической системе элементов. Равен числу протонов в атомном ядре и определяет

химические и большинство физических свойств атома.

биогеохимия – раздел геохимии; изучает химический состав живого вещества и

геохимические процессы, протекающие в биосфере Земли при участии живых организмов.

Включает в себя также органическую геохимию.

биология (греч. bios – жизнь; logos – слово, учение) – совокупность наук о живой

природе – огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ,

их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с

другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности,

присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах (обмен веществ, размножение,

наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, подвижность и др.)

бихевиоризм (англ. behavior – поведение) – ведущее направление американской

психологии XX в. Считает предметом психологии не сознание, а поведение, понимаемое

как совокупность двигательных реакций, и сводимых к ним словесных и эмоциональных

ответов. Поведением человека, как и животных, можно управлять, манипулировать, а

разум есть лишь инструмент ориентации в мире. Родоначальник – американский психолог

Эдуард Торндайк (1874-1949), программу и термин предложил (1913) американский

психолог Джон Уотсон (1878-1958).

близкодействие – взаимодействие между удаленными телами осуществляется с

помощью промежуточных звеньев (или среды). Скорость этого взаимодействия конечна.

Ср. дальнодействие.

Бойль Роберт (1627-91) – английский химик и физик, один из учредителей

Лондонского королевского общества (Академия наук). Сформулировал (1661) первое

научное определение «химического элемента», ввел в химию экспериментальный метод,


107

положил начало химическому анализу. Способствовал становлению химии как науки.

Установил (1662) один из газовых законов (закон Бойля-Мариотта).

большой взрыв – по современным представлениям – состояние расширяющейся

Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда еѐ средняя плотность в огромное

число раз превышала современную. Из-за расширения плотность Вселенной убывает с

течением времени. Соответственно, при удалении в прошлое плотность возрастает, вплоть

до момента, когда классические представления о пространстве и времени теряют смысл

(космологическая сингулярность). Этот момент можно принять за начало отсчета времени.

Периодом большого взрыва называют интервал времени от 0 до нескольких сот секунд. В

самом начале этого периода вещество приобрело колоссальные относительные скорости.

Наблюдаемыми свидетельствами в настоящее время являются реликтовое излучение,

значения концентраций водорода, гелия и некоторых других легких элементов,

неоднородное распределение галактик во Вселенной.

броуновское движение (брауновское движение) – беспорядочное движение

мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, под влиянием ударов молекул

окружающей среды. В 1827 г. Открыл шотландский ботаник Роберт Браун (1773-1858). В

опыте французского физика Жанна Перрена (1870-1942) (Нобелевская пр. 1926)

траектории частиц (радиус 0.52 мкм) отмечены линиями, точки – это положения частиц

зафиксированные через 30 сек, расстояние между делениями сетки 3.4 мкм. Эти

эксперименты (1908-1913) окончательно подтвердили существование молекул.

Бэкон Роджер (1214-1292) – английский философ и естествоиспытатель, монах-

францисканец. Профессор в Оксфорде. Придавал большое значение математике и опыту –

как научному эксперименту, так и внутреннему мистическому озарению. Занимался

оптикой и астрономией, предвосхитил многие позднейшие открытия.

Бэкон Фрэнсис (1561-1626) – английский философ, родоначальник английского

материализма и методологии опытной (экспериментальной) науки. Разработал подробную

классификацию наук. В трактате «Новый Органон, или Истинные указания для

истолкования природы» (лат. «Novum Organum» – «Новый метод», греч. organon – орудие,

инструмент, орган.) (1620) обосновал эмпиризм. Описал различные виды опытного

(эмпирического) познания. Сформулировал индукцию как метод исследования законов

(«форм») природных явлений. Разграничил области научного знания и религиозной веры,

считал, что религия не должна вмешиваться в дела науки. Провозгласил целью науки

увеличение власти человека над природой, выдвинул лозунг – «знание – сила». Предложил

реформу научного метода – очищение разума от заблуждений («идолов» или «призраков»),

обращение к опыту и обработка его посредством индукции, основа которой – эксперимент.

Поставил задачу сформулировать правильный метод исследования природы, чтобы

достигнуть царства человека на Земле. Природу можно покорить лишь подчиняясь ей.

Силлогистика не улавливает тонкостей природы, истинное орудие природы индукция,

которая есть разумная (рационализм) методология анализа опытных данных. Структуру

индукции составляют «таблицы открытия»: таблица присутствия, таблица отсутствия,

таблица степеней. Не предавал большого значения математике и теоретическим

построениям. Автор утопии «Новая Атлантида.»

Венский кружок – философское общество, разработавшее основы логического

позитивизма. Сложился в 1922 г. вокруг австрийского физика М. Шлика. Участники: О.

Нейрат, Р. Карнап, Ф.Ф ранк, К. Гѐдель (см. Гѐделя теорема), Х.Рейхенбах, К.Поппер.

Центральная идея – сведение философской проблематики к логическому анализу языка

науки, соединяемому с принципом верификации. Распался в начале 2-й Мировой войны.

верификация (верифицируемость; лат. verus – истинный; facio – делаю) – проверка,

эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем сопоставления их с


108

наблюдаемыми объектами, чувственными данными, экспериментом. Этот принцип есть

одно из основных понятий логического позитивизма.

Вернадский Владимир Иванович (1863-1945) – русский естествоиспытатель,

мыслитель и общественный деятель. Основоположник современных наук о Земле –

геохимии, биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др. Академик АН СССР (1925;

академик Петербургской АН с 1912; академик Российской АН с 1917). Разработал

целостное учения о биосфере, живом веществе (организующем земную оболочку) и

эволюции биосферы в ноосферу, в которой человеческий разум и деятельность, научная

мысль становятся определяющим фактором развития, мощной силой, сравнимой по своему

воздействию на природу с геологическими процессами. Учение Вернадского о

взаимоотношении природы и общества оказало сильное влияние на формирование

современного экологического сознания.

вероятность – степень возможности появления случайного события.

вероятностей теория – раздел математики, в котором, по известным вероятностям

одних случайных событий, находят неизвестные вероятности других случайных событий.

вирус (лат. virus – яд) – мельчайшие неклеточные частицы, состоящие из нуклеиновой

кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Форма палочковидная,

сферическая и др. Размер 15 – 350 нм и более. Являются внутриклеточными паразитами:

размножаясь только в живых клетках, они используют их ферментативный аппарат и

переключают клетку на синтез зрелых вирусных частиц. Распространены повсеместно.

Вызывают болезни растений, животных и человека. Резко отличается от всех других форм

жизни. Подобно другим организмам, способны к эволюции. Первый вирус – вирус

табачной мозаики в 1892 г. – обнаружил русский учѐный Дмитрий Иосифович Ивановский

(1864-1920).

витализм (лат. vitalis – жизненный, живой) – учение о качественном отличии живой

природы от неживой, о принципиальной несводимости жизненных процессов к силам и

законам неорганического мира. Различают философский витализм (Аристотель, Платон,

Ф. Шеллинг, А. Бергсон) и естественнонаучный, противостоящий механицизму.

Существует специфически витальный фактор – энтелехия. Наиболее известные виталисты

XVII-XIV вв. – Я. ван Гельмонт, Г. Шталь, И. Мюллер, Х. Дриш.

внешнее программирование – накопление животным или человеком опыта в

результате обучения. Ср. внутреннее программирование, онтогенез.

внутреннее программирование – результат эволюции вида. Ср. внешнее

программирование, филогенез.

время – форма последовательной смены явлений и длительность состояний материи,

объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Универсальные свойства

времени – длительность, неповторяемость, необратимость. В современной науке

неразрывно связано с пространством.

Галилей Галилео (1564-1642) – итальянский ученый, один из основателей точного,

современного естествознания. Он боролся против схоластики, считал основой познания

опыт. Заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности

движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной

плоскости, сложения движений. Открыл изохронность (греч. isos - равный, одинаковый,

chronos - время) колебаний маятника, первым исследовал прочность балок в статике.

Построил телескоп с 32-кратным увеличением и открыл горы на Луне, 4 спутника

Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Активно защищал гелиоцентрическую

систему, за что был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от

учения Н.Коперника. До конца жизни считался «узником инквизиции» и принужден был

жить на своей вилле Арчетри близ Флоренции. Написал памфлет, где просматривалась

сатира на Папу Римского. Гонения церкви сильно подорвали здоровье Галилея. Только в


109

1992 глава Римской католической церкви, Иоанн Павел II объявил решение суда

инквизиции ошибочным и реабилитировал Галилея.

гамма-астрономия – одно из направлений внеатмосферной астрономии, изучающее

космические тела по их гамма-излучению.

Гѐделя теорема – теорема математики, теорема о неполноте, из которой, в частности,

следует, что не может существовать полной формальной теории, где были бы доказуемы

все истинные теоремы арифметики. В соответствии с ней нельзя доказать вычислением

правильности основных действий арифметики, например, что 1+1=2. В 1931 г.

сформулировал и доказал австрийский логик и математик Курт Гѐдель (1906-1978), входил

в Венский кружок.

Геккель Эрнст (1834-1919) – немецкий биолог-эволюционист, представитель

естественнонаучного материализма, сторонник и пропагандист учения Ч. Дарвина. Автор

книг: «Общая морфология организмов» (1866), «Мировые загадки» (1899) и др. Предложил

первое «родословное древо» животного мира, теорию происхождения многоклеточных.

генетика (греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости

организмов и методах управления ими. Основы были заложены Г.Менделем (1822-1884),

который открыл законы дискретной наследственности (1865), и школой Т.Моргана,

обосновавшей хромосомную теорию наследственности (1910-е годы). Большой вклад

сделал Н.И. Вавилов (1920-е - 1930-е годы). Новый толчок получила в 1953 г. после

опубликования молекулярной структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

Фрэнсисом Криком (род. 1916) и Джеймсом Уотсоном (род. 1928), Нобелевская премия

1962 г., совместно с Морисом Уилкинсом (1916-2004).

герменевтика (греч. hermeneutikos – разъясняющий, истолковывающий) – искусство

толкования текстов (классических, древних, Библейских), учение о принципах их

интерпретации. Учение о понимании, методологическая основа гуманитарных наук

(В.Дильтей). Исследует переводы и расшифровку иероглифов.

гетеротрофы (греч. heteros – другой; trophe – пища, питание) – гетеротрофные

организмы, используют для своего питания готовые органические соединения, организмы.

Относятся – человек, все животные, некоторые растения и микроорганизмы. Ср.

автотрофы.

гомеостаз (греч. homoios – подобный, одинаковый; stasis – неподвижность, состояние)

– механизм, посредством которого живой организм поддерживает параметры своей

внутренней среды (кровяное давление, частота пульса, температура тела). Работает

отрицательная и положительная обратная связь.

гоминиды (лат. homo – человек) – семейство приматов, включает человека

современного типа (Homo sapiens) и ископаемых людей (питекантропов, неандертальцев и

высших приматов типа австралопитеков).

доминиканцы – члены нищенствующего ордена, основан в 1215 испанским монахом

Домиником. В 1232 папство передало в ведение доминиканцев инквизицию. После

основания ордена иезуитов (XVI в.) значение доминиканцев уменьшилось.

горизонт событий – замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг черной

дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны,

частицы) не могут выйти из-под этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя.

Гук Роберт (1635-1703) – английский естествоиспытатель, разносторонний ученый и

экспериментатор, архитектор. Один из создателей Лондонского королевского общества,

его секретарь в 1677-83 гг. Открыл (1660) закон (закон Гука), который устанавливает

линейную зависимость между упругой деформацией твердого тела и приложенным

механическим напряжением. Высказал гипотезу тяготения. Сторонник волновой теории

света. Улучшил и изобрел многие приборы, установил (совместно с Х. Гюйгенсом)

постоянные точки термометра. Усовершенствовал микроскоп. В знаменитой книге


110

«Микрография» (1665) изложил результаты применения микроскопа как прибора для

исследования растений, насекомых и животных. Установил клеточное строение тканей,

ввел термин «клетка».

Дарвин Чарльз (1809-1882) английский естествоиспытатель. Основатель

эволюционного учения (1839), опубликовано в 1858 г. – «О происхождении видов путем

естественного отбора». Обратил внимание на идею «борьбы за существование» в работах

Т. Мальтуса. Выделил межвидовую и внутривидовую конкуренцию. В книге

«Происхождение человека и половой отбор» (1871) обосновал гипотезу о происхождении

человека от обезьяноподобного предка. Это разрушило мнение о божественном

происхождении человека – креационизм. Работы по геологии, ботанике, зоологии.

Демокрит из г. Абдера, Фракия (ок. 470-60 г. до н.э. – умер в глубокой старости) –

древнегреческий философ-материалист, один из основателей античной атомистики. По

Демокриту, существует только атомы и пустота. Атомы есть неделимые материальные

элементы (геометрические тела – фигуры), вечные, неразрушимые, непроницаемые.

Различаются формой, положением в пустоте, величиной. Движутся в различных

направлениях, из их «вихря» образуются как отдельные тела, так и все бесчисленные

миры. Атомы невидимы для человека, излучение из них, действуя на органы чувств,

вызывают ощущения.

детерминизм (лат. determino – определяю) – учение об объективной закономерной

взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира.

Существует причинность: при вполне определенных условиях одно явление (причина)

обязательно порождает другое явление (следствие). Сравните с телеологией.

динамика (греч. dynamis – сила) раздел классической механики, описывающий

движение материальных тел под действием приложенных к ним сил.

дисперсия – D, разброс значений (отклонение) величин xi от их среднего значения М.

1

)(1

2

2

n

Mx

D

n

i

i

, D – среднеквадратичное отклонение. Обозначения см. в ст. среднее

значение.

дополнительности принцип – при экспериментальном исследовании микрообъекта

могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в

пространстве и времени. Эти две картины: энергетически-импульсная и пространственно-

временная, получаемые при измерениях, «дополняют» друг друга. Сформулировал датский

физик Нильс Бор. Характеризует влияние измерительного прибора на состояние

микрообъекта и отражает объективные свойства квантовых систем. Ср. неопределенности

принцип.

естествознание (естество – природа) – естественные науки, совокупность наук о

природе, в отличии от общественных (гуманитарных) наук – наук об обществе. Как

отдельную дисциплину, традиционно определяют двумя способами: 1. Естествознание –

это наука о Природе как единой целостности. 2. Естествознание – это совокупность наук о

Природе, взятая как единое целое.

золотое сечение – золотая пропорция. Деление отрезока АВ на неравные части точкой

С: А________С__В. 8

13

5

8

3

5

AC

AB

CB

AC и т.д. Здесь 2, 3, 5, 8, 13, 21 и т.д. числа Фибоначчи

(Леонардо Пизанский). Было известно ещѐ в древности. Впервые встречается в «Началах»

Евклида (3 век до н. э.). Термин ввѐл Леонардо да Винчи.

иерархия (греч. hieros – священный; arche – власть) – расположение частей целого в

порядке от низшего к высшему. Принцип организации высших животных, каждый в

группе знает свое место, территорию и правила подхода к пище. Например, у птиц

определѐн строгий порядок клевания. Иерархия уменьшает агрессивность особей.

Изучается в социобиологии.


111

изотропия (изотропность) (греч. isos – равный, одинаковый; tropos – поворот,

направление) – независимость свойств физических объектов от направления. Характерна

для жидкостей, газов и аморфных состояний твѐрдых тел. Ср. анизотропия и

однородность.

индустриальное общество (промышленное общество) – тип общества, определяется

уровнем технического развития, сменяет традиционное, аграрное, родо-племенное,

феодальное общество. Термин принадлежит французскому мыслителю А. Сен-Симону

(1760-1825). Широкое распространение эта концепция получила в 50-60-х гг. XX в. (Р.

Арон, У. Ростоу, Д. Белл) Формирование связано с распространением крупного машинного

производства (индустриализация), ростом городов (урбанизация), утверждением рыночной

экономики и возникновением социальных групп предпринимателей и наемных

работников, становлением демократии, гражданского общества и правового государства.

Служит основой теории «конвергенции» (приближаться, сходиться) капитализма и

социализма. Ср. постиндустриальное общество.

информация (лат. informatio – разъяснение, изложение) – первоначальные сведения,

передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных

сигналов, технических средств). С середины XX в. общенаучное понятие, включающее

обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен

сигналами в животном и растительном мире, передачу признаков от клетки к клетке, от

организма к организму. Ср. кибернетика.

искусство – художественное творчество в целом – литература, архитектура,

скульптура, живопись, музыка, танец, театр, кино и другие разновидности человеческой

деятельности, объединяемые в качестве художественно-образных форм освоения

действительности. Сущность искусства есть подражание, чувственное выражение

сверхчувственного посредством создания художественных образов. Искусству присущи

субъективность, иррациональность, эмоциональность, индивидуальность.

Кант Иммануил (1724-1804) – немецкий философ, родоначальник немецкой

классической философии. Профессор университета в Кенигсберге (ныне Калининград),

там же похоронен. В 1747-55 разработал космогоническую гипотезу – происхождения

солнечной системы из первоначальной туманности (см. космогония). В развитой им 1770-

90 гг. «критической философии» выступал против догматизма умозрительной метафизики

и скептицизма. Выдвинул концепцию о непознаваемых «вещах в себе» и познаваемых

явлениях, образующих сферу человеческого опыта. Условием познания являются

априорные (априори – до опытные) формы, упорядочивающие хаос ощущений.

катализ (греч. katalysis – разрушение) – ускорение химической реакции в присутствии

веществ катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не

расходуются и не входят в состав продуктов. Обусловливает высокие скорости реакций

при небольших температурах, происходит образование определѐнного продукта из ряда

возможных. См. также ферменты, катализ ферментативный.

катализ ферментативный (биокатализ) – ускорение химических реакций в живых

клетках специальными белками – ферментами. В основе лежат те же химические

закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом

производстве. Отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение скорости

реакции в 1010

- 1013

раз).

катализаторы (греч. katalysis – разрушение) – вещества, ускоряющие химические

реакции. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Биологические

катализаторы называются ферментами. Катализаторами служат синтетические

алюмосиликаты, металлы платиновой группы, серебро, никель и др.

категория (греч. kategoria – высказывание, признак) – наиболее общие и

фундаментальные понятия, отражающие существенные всеобщие свойства и отношения


112

явлений действительности и познания. Образовались как результат обобщения

исторического развития познания и общественной практики. Основные категории:

материя, движение, противоречие, закономерность. Необходимо отметить парные

категории: пространство и время, качество и количество, следствие и причинность,

необходимость и случайность, содержание и форма, возможность и действительность,

сущность и явление, и др. По мере развития общества и науки система категорий

развивается и обогащается.

квазары (англ. quasar, сокр. от quasistellar radiosource – квазизвездный источник

радиоизлучения) – космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие

значительные красные смещения линий в спектрах, что указывает на их большую

удаленность от Солнечной системы. Квазары излучают в десятки раз больше энергии, чем

самые мощные галактики. Источник их энергии точно не известен.

кибернетика (греч. kybernetike – искусство управления) – наука об управлении, связи и

переработке информации. Основной объект исследования – кибернетические системы

(автоматические регуляторы, ЭВМ, человеческий мозг, биологическая популяция,

человеческое общество), рассматриваемые вне зависимости от их материальной природы.

Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов

(элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать

информацию, а также обмениваться ею. Теоретическое ядро составляют теория

информации, теория алгоритмов, теория автоматов, исследование операций, теория

оптимального управления, распознавание образов. Разрабатывает общие принципы

создания систем управления и систем для автоматизации умственного труда.

Возникновение и развитие самостоятельной науки (Н. Винер, 1948) связано с созданием

ЭВМ в 40-х гг. XX в. Современным инструментом для решения задач кибернетики

является ЭВМ.

кинематика (греч. kinema, род. п. kinematos – движение) – раздел механики, в котором

изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на

них сил.

концепция (лат. coceptio – понимание, система) – определѐнный способ понимания

какого-либо предмета, явления, процесса, руководящая идея их освещения, ведущий

замысел, конструктивный принцип какой-либо деятельности.

космология (греч. kosmos – Вселенная; logos – слово, учение) – физическое учение о

Вселенной взятой как единое целое, основанное на результатах исследований наиболее

общих свойств (однородность, изотропность, расширение) части Вселенной, которая

доступна для астрономических наблюдений. Теоретический фундамент составляют

основные физические теории (теория относительности, теория поля). Эмпирическая

основа – внегалактическая астрономия. Общие выводы имеют важное общенаучное и

философское значение. В современной космологии распространена модель горячей

Вселенной, согласно которой в расширяющейся Вселенной на ранней стадии развития

вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение

привело к их постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем, в результате

притяжения – протогалактик, галактик, звезд и других космических тел. Наблюдаемое

реликтовое излучение с температурой от трѐх Кельвин и выше – это «остывшее»

излучение, сохранившееся с ранних стадий развития Вселенной. К важнейшим, еще не

решенным проблемам относятся проблемы начального сверхплотного состояния

Вселенной (сингулярности) и конечной фазы ее существования (возможности возвращения

в состояние сингулярности).

космогония (греч. kosmos – Вселенная; gone, goneia – зарождение) – раздел

астрономии, изучающий происхождение и развитие космических тел и планет, Солнечной

системы, звезд, галактик и т.п. Наиб. развиты космогония Солнечной системы, космогония


113

планет и космогония звезд (Звездная эволюция). В XX в. утвердилась гипотеза о

происхождении Солнца и планет из единого холодного газово-пылевого облака – гипотеза

Канта, Лапласа (1749-1827) (развитая О.Ю. Шмидтом, Ф. Хойлом, А. Камероном).

корпускулярно-волновой дуализм – заключается в том, что любые микрочастицы

материи (фотоны, электроны, протоны, атомы) обладают свойствами и частиц (корпускул),

и волн. Количественное выражение дают формулы де Бройля: длина волны λ=h/p, и

частота ν=E/h. Здесь h – постоянная Планка (мировая константа), p – есть импульс

частицы (масса умноженная на скорость – mυ), E – энергия частицы.

корреляция (лат. correlatio – соотношение) – взаимосвязь, взаимозависимость,

соотношение предметов и понятий. Вероятностная или статистическая зависимость, в

отличие от функциональной зависимости, f(t). Математически определяется как

коэффициент корреляции K, между двумя функциями, или одной функцией в разные

моменты времени (t и t+τ) –

)()(

)()(

tftf

tftfK

2)(

)()(

tf

tftf .

коэволюция – совместное развитие. Объясняет заботу, альтруизм, повиновение

вожакам, внутривидовую иерархию. Русский учѐный и революционер П.А.Кропоткин

(1842-1921) положил начало этому направлению. В книге «Взаимная помощь как фактор

эволюции» (1902) он сформулировал идею о том, что взаимопомощь есть более важный

факт эволюции, чем борьба. Ср. эволюция, эволюционная теория.

кроманьонец (человек разумный – Homo sapience – гомо сапиенс) – в 1868 г. в пещере

Кро-Маньон (Франция) были найдены останки близкого по облику и размеру черепа (1600

куб. см.) к современному человеку. Рост около 180 см., жил 40-15 тыс. лет назад.

Считается, что с кроманьонца человек не менялся генетически, но социальная эволюция

продолжалась.

Коперник Николай (1473-1543) – польский астроном, создатель гелиоцентрической

системы Мира. Совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в

течение многих веков учения о центральном положении Земли. Объяснил видимые

движения небесных светил вращением Земли вокруг оси и обращением планет (в том

числе Земли) вокруг Солнца. Основной труд «Об обращениях небесных сфер» (1543), был

запрещѐн Римско-католической церковью с 1616 по 1828.

критерий (греч. kriterion – средство для суждения) – признак, на основании которого

производиться оценка, определение или классификация чего-либо. Мерило оценки.

Кулон Шарль (1736-1806) – франц. инженер и физик, один из основателей

электростатики. Исследовал деформацию кручения нитей, установил ее законы. Для

измерения силы отталкивания электрически заряженных тел изобрел (1784) крутильные

весы и открыл (1785) закон, определяющий величину силы взаимодействия между двумя

неподвижными точечными электрическими зарядами (закон Кулона).

Кун Томас (1922-1996) – американский физик, философ и историк науки, профессор

Массачусетского технологического института (MIT). В основном труде «Структура

научных революций» (1962) выдвинул концепцию научных революций как смены парадигм

– исходных концептуальных схем, способов постановки проблем и методов исследования.

Дал критику неопозитивистского понимания науки.

Лавуазье Антуан (1743-94) – французский химик, один из основоположников

современной химии. Систематически применял в химических исследованиях

количественные методы. Выяснил роль кислорода в процессах горения, окисления и

дыхания (1772-77), чем опроверг теорию флогистона. Один из основателей термохимии.

Руководил разработкой новой химической номенклатуры (перечень) (1786-87). Автор

классического курса «Начальный учебник химии» (1789). Гильотинирован во время

Французской революции 1789-99.


114

Лаплас Пьер (1749-1827) – французский астроном, математик, физик. Труды по

теории вероятностей, небесной механике, дифференциальным уравнениям,

математической физике, теории капиллярности, теплоте, акустике, геодезии,

космогонической гипотезы (гипотеза Канта-Лапласа (1796)). Классический представитель

механистического детерминизма (лапласовский детерминизм).

лазер (англ. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление

света в результате вынужденного излучения) – оптический квантовый генератор. Источник

электромагнитного когерентного излучения (оптического диапазона). Характеризуется

монохроматичностью (узкий диапазон излучения), высокой направленностью и, как

следствие, дальностью распространения, хорошей фокусировкой и большой плотностью

энергии. Лазеры бывают непрерывного и импульсного действия, они получили широкое

применение в научных исследованиях (физике, химии, биологии), в практической медицине

и диагностике (хирургия, офтальмология), в военной промышленности и технике.

логика (греч. logikos – построенный на рассуждении; от logos – слово, понятие,

рассуждение, разум) (вслед за И. Кантом также называется формальная логика) – наука об

общезначимых формах и средствах мысли, необходимых для рационального (разумного)

познания в любой области знания.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711-65) – первый русский ученый-

естествоиспытатель мирового значения, поэт, заложивший основы современного русского

литературного языка, художник, историк, поборник развития отечественного просвещения,

науки и экономики. Родился 8(19) ноября в д. Денисовка (ныне с. Ломоносово) в семье

помора. В 19 лет ушел учиться (с 1731 в Славяно-греко-латинской академии в Москве, с

1735 в Академическом университете в Санкт-Петербурге, в 1736-41 в Германии). С 1742

адъюнкт, с 1745 академик Петербургской АН. В 1748 основал при АН первую в России

химическую лабораторию. По инициативе Ломоносова основан первый в России

Московский университет (1755).

первая философия (позже названа метафизикой) – содержит учение об основных

принципах бытия: возможности и осуществлении, форме и материи, действующей причине

и цели.

пролиферация (лат. proles – отпрыск, потомство; fero – несу) – разрастание ткани

животного или растительного организма путем новообразования (размножения) клеток.

Может быть физиологической (нормальная регенерация клеток) и патологической

(опухоли).

пространство – форма сосуществования материальных объектов и процессов

(характеризует структурность и протяженность материальных систем). Пространство и

время имеют объективный характер, в современной науке неразрывно связаны друг с

другом, бесконечны. Всеобщие свойства пространства – протяженность, единство

прерывности и непрерывности.

логический позитивизм – течение неопозитивизма, возникшее в 20-х годах XX в.

Пытался сочетать эмпиризм, основывающийся на принципе верификации (Венский

кружок), с методом логического анализа научного знания. Со второй половины 30-х гг.

стал назваться логический эмпиризм.

логический эмпиризм – см. логический позитивизм

Максвелл Джеймс (1831-79) – английский физик, создатель классической

электродинамики, один из основоположников статистической физики. С 1871 директор

Кавендишской (по имени Г. Кавендиша) лаборатории Кембриджского университета.

Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения

Максвелла). Предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул концепцию

электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение скоростей

движения молекул газа, назв. его именем (распределение Максвелла).


115

мальтузианство – социологическая доктрина, сформулированная в конце XVIII в. Т.

Мальтусом. В соответствии с этой концепцией благосостояние населения определяется

«естественным законом народонаселения»: темпы роста народонаселения значительно

превышают темпы увеличения средств существования (их соотношение, в первонач.

формулировке Мальтуса, выводилось из сравнения геометрической (хn), и

арифметической (nx) прогрессий). Быстрый рост народонаселения в развивающихся

странах служит основанием для периодического оживления современных

модифицированных форм мальтузианства.

Мальтус Томас (1766-1834) – английский экономист, сформулировал «естественный

закон народонаселения» (см. мальтузианство). Основная работа «Опыт о законе

народонаселения…» (1978). Делал вывод, что несмотря на естественное регулирование

численности населения (голод, эпидемии, войны), необходимо искусственно регулировать

браки и рождаемость.

математика (греч. mathematike, от mathema – наука) – наука, в которой изучаются

пространственные формы и количественные отношения. До начала XVII в.

преимущественно наука о числах, скалярных величинах и сравнительно простых

геометрических фигурах. Изучаемые величины (длины, площади, объемы и пр.)

рассматриваются как постоянные. К этому периоду относится возникновение арифметики,

геометрии, алгебры, тригонометрии, математического анализа. Областью применения

являлись: счет, торговля, землемерные работы, астрономия, архитектура. В XVII-XVIII вв.

потребности бурно развивавшегося естествознания (мореплавания, астрономии,

баллистики, гидравлики и т. д.) привели к введению переменных величин и

функциональной зависимости между ними. Математизация науки (развитие теории),

привели к появлению целого ряда новых дисциплин: теория игр, теория информации,

теория графов, теория оптимального управления, дискретная математика, численные

методы.

молекулярная физика – наука изучающая свойства тел (жидкостей, газов) на основе

их микроскопического (молекулярного) строения. В связи с интенсивным развитием

переросла в физику твердого тела, жидкого состояния, газов. Задачи решаются методами

физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики.

Менделеев (Соколов) Дмитрий Иванович (1834-1907) – русский химик,

разносторонний ученый, педагог. Открыл (1869) периодический закон химических

элементов – один из основных законов естествознания. Оставил свыше 500 печатных

трудов, среди которых классические «Основы химии» (1869-71) – первое стройное

изложение неорганической химии. Автор фундаментальных исследований по химии,

химической технологии, физике, метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому

хозяйству, экономике, народному просвещению.

метафизика (греч. meta ta physika – после физики; meta – после, за, через) –

философское учение о сверхчувственных (недоступных опыту) принципах бытия. В

истории философии термин метафизика часто употребляется как синоним философии. В

марксизме – обозначение философского метода, тяготеющего к построению однозначной,

статичной и умозрительной картины мира. И. Ньютон говорил: «Физика бойся

метафизики».

методология (греч. méthodos – путь исследования, теория, учение; logos – слово,

учение) – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности.

методология науки – учение о принципах построения, формах и способах научного

познания.

механика классическая (греч. mechanike – искусство построения машин) –

рассматривает движение любых материальных тел (кроме микрочастиц) со скоростями

малыми по сравнению со скоростью света. Физические величины (координата, импульс,


116

скорость, ускорение, энергия) могут меняться непрерывно и принимать любые значения.

Движение со скоростями близкими к скоростям света рассматривается в теории

относительности, а движение микрочастиц в квантовой механике.

механика квантовая (волновая механика) – теория, устанавливающая способ

описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях, один из основных

разделов квантовой теории. Впервые позволила описать структуру атомов и понять их

спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему

элементов Д.И. Менделеева. Состояние квантовой системы описывается уравнением

Шрѐдингера. Физические величины в микромире не могут одновременно принимать

точные значения (принцип неопределенности). Волновая функция подчиняется принципу

суперпозиции (наложения), это объясняет дифракцию частиц. Физические величины

(энергия, момент количества движения, координата, импульс) могут меняться только

дискретно (ступенчато).

механицизм – односторонний метод познания XVII-XVIII вв., основан на признании

механики, механической формы движения материи единственно объективной. Познание

истины возможно «потому, что мир есть машина». Является одним из основных

проявлений метафизики, не способен учесть реальной диалектической сложности

движения и строения материального мира. Характерно отрицание качественной специфики

более сложных материальных образований; сведение сложного к простым элементам,

целого – к сумме его частей. Переносит понятия механики в область физики, химии,

биологии, медицины (см. ятромеханика). Нашел распространение среди

естествоиспытателей (Г. Галилей, И. Ньютон, П. Лаплас), философов материалистов (Т.

Гоббс, Ж. Ламетри, П. Гольбах). В XX веке преодолен, но иногда возникает.

мораль (лат. moralis – нравственный) – особая форма общественного сознания и вид

общественных отношений. В отличие от обычая и права, один из основных способов

регуляции действий человека с помощью норм.

наука – сфера человеческой деятельности, функция которой есть выработка и

теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Включает как

деятельность по получению нового знания так и еѐ результат – сумму знаний, лежащих в

основе научной картины мира. Функцией науки также является выделение (обозначение)

отдельных отраслей знания. В науке важна объективность, рационализм, универсальность,

количественные оценки.

научная картина Мира – целостная система представлений о Мире, его общих

свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных

естественно-научных концепций, законов, понятий и принципов.

неандертальцы (по назв. долины Неандерталь (Neandertal) в Германии) – ископаемые

древние люди (палеоантропы), создавшие археологические культуры раннего палеолита.

Скелетные остатки найдены в Европе, Азии и Африке. Время существования 200-35 тыс.

лет назад. Были больше и сильнее кроманьонцев (пришли в Европу около 40-а тыс. лет

назад), но вымерли в конкуренции с ними.

неопозитивизм – одно из основных направлений философии XX в., форма

позитивизма. Идеи восходят к эмпиризму и феноменализму (Д.Беркли, Д.Юм). Отвергает

возможности философии как теоретического инструмента познания мировоззренческих

проблем, противопоставляет науку и философию. Главным образом разрабатывает методы

логического, лингвистического анализа знания. Выделяет различные языки – научный,

философский, обыденный. Идеи развивались в рамках Венского кружка (1922-1940), на

основе которого сложился логический позитивизм. Последний сочетал эмпиризм,

основывающийся на принципе верификации (проверке гипотез), с логическим анализом

научного знания. Сыграл значительную роль в развитии современной формальной логики,

семиотики и логики науки.


117

неопределенности принцип – физические величины (напр. координата и импульс) не

могут одновременно принимать точные значения (быть измерены). Отражает

корпускулярно-волновую природу света. См. механика квантовая, неопределенности

соотношение.

неопределенности соотношение – pxx h/4 или Et h/2. Здесь px – импульс

частицы, x – еѐ координата, E – еѐ энергия, t – время еѐ обнаружения. Соответственно, px, x, E, t – точности определения этих величин в эксперименте. Сформулирован

немецким физиком В. Гейзенбергом в 1927.

Нобелевские премии – ежегодные международные премии, названные в честь их

учредителя А. Нобеля. Альфред Бернхард Нобель – шведский инженер-химик,

изобретатель и промышленник. Согласно его завещанию, оставшийся после его смерти

капитал (31 млн. шведских крон) составил Нобелевский фонд. Эти средства были

помещены в акции, облигации и займы, доход от которых ежегодно делится на пять

равных частей и с 1901 года присуждался ежегодно в форме Нобелевских премий за

работы в области физики, химии, физиологии или медицины, литературы, а также за

деятельность по укреплению мира. В 1968 году Государственный банк Швеции по случаю

своего 300-летия учредил ежегодную премию памяти Нобеля за работы в области

экономических наук (присуждается на тех же основаниях и в том же размере, что и

Нобелевские премии). Состоит из золотой медали с изображением А.Б. Нобеля и

соответствующей надписью, диплома и чека на денежную сумму, размер которой зависит

от прибылей Нобелевского фонда. В 2005 году размер Нобелевской премии составил 10

млн. шведских крон (1,2 млн. долларов). Одна премия может быть присуждена одному,

двум или, максимум, трѐм людям.

норма (лат. norma – руководящее начало, правило, образец) – узаконенное

установление, признанный обязательным порядок, строй чего-либо.

ноосфера – сфера разумного взаимодействия человека и природы. Концепция

предложена В.И. Вернадским. Существует не только влияние живого на неживое, но и

растет глобальное сознание, усиливающее вторжение человека в природу. Это ведет к

контролю человека над глобальной биогеохимией.

Ньютон Исаак (1643-1727) – английский физик, астроном, математик, основоположник

классической и небесной механики. Построил зеркальный телескоп. Создал

дифференциальное и интегральное исчисление (совместно с Г. Лейбницем) как язык

математического описания физической реальности. В труде «Математические начала

натуральной философии» (1687) сформулировал понятия и законы механики классической.

Теоретически обосновал законы И. Кеплера (1571-1630), с единой точки зрения объяснил

большой объем опытных данных (движение Земли, Луны и планет; морские приливы и

др.). В завершенном виде механика Ньютона есть классический образец научной теории

дедуктивного типа и образец (парадигма) научной теории вообще. «Гипотез не

измышляю» – было лозунгом противопоставления достоверного естественнонаучного

знания натурфилософским домыслам. Ньютон мыслил метафизично: материя есть

инертная субстанция, в ней существует извечное повторение хода вещей (нет эволюции).

Абсолютное время – чистая длительность, пространство – пустое «вместилище»

вещества. И они не зависимы. Автор гипотез о корпускулярной природе света, эфира,

иерархически атомизированной структуре материи, дальнодействии (передача действия

через пустое пространство мгновенно и без посредника). Был директором Монетного

двора, наладил монетное дело в Англии, предложил делать насечки на торце монет.

Ньютон также был известным алхимиком, занимался хронологией древних царств.

Теологические труды посвятил толкованию библейских пророчеств.

обратная связь – воздействие результатов функционирования системы (или объекта)

на характер этого функционирования. Если влияние усиливает результаты


118

функционирования, то возникает положительная обратная связь, обычно приводит к

неустойчивой работе системы. Если ослабляет – отрицательная обратная связь, делает

работу системы устойчивой. Применяется в системах автоматического управления, в

устройствах радиоэлектроники. Действует также во всех живых организмах.

однородность – характеристика вещества, когда его физические свойства одинаковы

во всех точках пространства. Применяется и к материи, пространству, времени. Ср.

изотропность.

Оккам Уильям (ок. 1285-1349) – английский философ-схоласт, логик и церковно-

политический писатель, главный представитель номинализма (лат. nomen - имя) XIV в.

Согласно принципу «бритвы Оккама»: «простейшие объяснения – самые лучшие».

Первичным познанием является интуитивное, которое включает внешнее восприятие и

интроспекцию. Понятия, не сводимые к интуитивному знанию и не поддающиеся проверке

в опыте, должны быть убраны из науки: «сущности не следует умножать без

необходимости». Этот принцип сыграл важную роль в развитии естествознания. В

политике выступал за императорскую власть выступал против претензий Папы Римского

на светскую власть и за разделение сфер философии и теологии.

онтогенез (греч. ón, родительный падеж: óntos – сущее; génesis – образование,

возникновение) – индивидуальное развитие организма, совокупность преобразований

претерпеваемых организмом от зарождения до конца жизни. Термин введѐн немецким

учѐным Э. Геккелем (1866). Ср. филогенез.

определение (лат. definitio) – формулирование в явной и сжатой форме основного

содержания понятия.

оптическое излучение – электромагнитные волны с длиной в диапазоне от 1 нм до 1

мм. К оптическому излучению, помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого

света, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.

парадигма (греч. paradeigma – пример, образец) – исходная концептуальная схема,

модель постановки проблем и их решений, методов исследования, господствующих в

течение определенного исторического периода в научном сообществе. По Т. Куну, смена

парадигм представляет собой научную революцию.

парапсихология (греч. para – возле, мимо, вне; psyche – душа) – возникла в конце XIX

в. изучает восприятие, происходящее без участия органов чувств, а также физическое

воздействие человека на предметы без мышечных усилий. Началась с того, что люди

обладают предчувствием.

питекантроп (греч. pithekos – обезьяна; anthropos – человек) – буквально

«обезьяночеловек». Концепция, предложенная немецким учѐным Э. Геккелем, гипотеза о

существовании в прошлом промежуточного вида между обезьяной и человеком. Костные

останки были найдены в Азии, Европе и Африке. Жил около 500 тысяч лет назад, рост

более 150 см., объем мозга примерно 900 куб. см. Использовал ножи, сверла, скребки.

Пифагор Самосский (6 в. до н.э. ) – древнегреческий мыслитель, религиозный и

политический деятель, математик, основатель пифагореизма. Ему приписывается изучение

свойств целых чисел и пропорций, доказательство теоремы Пифагора, создание

музыкального строя. В последнем частотное соотношение звуков (гармония), выражалось

в математических величинах (кратность). См. также пифагореизм.

Пифагора теорема – теорема геометрии, приписывается Пифагору: квадрат

гипотенузы c прямоугольного треугольника равен сумме квадратов его катетов a и b:

c2=a

2+b

2.

Пифагоровы числа – тройка таких натуральных чисел, что треугольник, длины сторон

которого пропорциональны или равны этим числам, является прямоугольным, например

тройка чисел – 3, 4, 5.


119

пифагореизм (VI-IV вв. до н.э.) – религиозно-философское учение в Древней Греции.

Основано Пифагором и исходившее из представления о числе как основе всего сущего.

Числовые соотношения – источник гармонии космоса (гармония сфер), структура которого

мыслилась, как физическое (природное), геометрическое и акустическое единство

(гармония музыкального звучания, аккорд). Каждая из небесных сфер характеризуется

определѐнной комбинацией правильных геометрических тел, звучанием определѐнных

музыкальных интервалов (гармония сфер). Пифагореизм внѐс значительный вклад в

развитие математики, астрономии (утверждение о шарообразности Земли, еѐ вращении

вокруг своей оси) и акустики. Пифагорейцы учили о переселении душ, разработали

сложную систему культовых запретов (пифагорейский образ жизни.)

познание – процесс отражения и воспроизведения действительности в мышлении

субъекта, освоение действительности, результатом которого является новое знание о мире.

поле физическое – особая форма материи; система с бесконечным числом степеней

свободы. Существует четыре типа: электромагнитные, гравитационные поля, поле сильных

(ядерных), поле слабых взаимодействий. Передается с конечной скоростью. В механике

квантовой рассматриваются волновые (или квантовые) поля. Взаимодействие между

частицами обусловлено обменом квантами поля.

понятие – форма мышления, отражающая существенные свойства, связи и отношения

предметов и явлений. Основная функция понятия – выделение общего, которое

достигается посредством отвлечения от всех особенностей отдельных предметов данного

класса. В логике – мысль, в которой обобщаются и выделяются предметы некоторого

класса по определѐнным общим и в совокупности специфическим признакам. По В.И.

Ленину (ПСС т.29, стр.149) понятие есть «...высший продукт мозга, высшего продукта

материи».

популяция (лат. pupulatio, от populus – народ, население) – в биологии совокупность

особей одного вида (иногда группа клеток), длительно занимающая определѐнное

пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Рассматривается как элементарная единица процесса эволюции, способная реагировать на

изменения среды перестройкой своего генофонда.

прикладные и технические науки – рассматриваются в противовес фундаментальной

науке, но в качестве неотъемлемой части науки.

приматы – отряд млекопитающих. Включает два подотряда: полуобезьяны и обезьяны.

Свыше 200-т видов – от лемуров до человека. Характерны пятипалые хватательные

конечности, способность большого пальца противопоставляться остальным. Волосы,

покрывающие тело, образуют у некоторых видов мантии, гривы, бороды. Хорошо

развитые слух и цветовое зрение, в отличии от других млекопитающих. Эмоциональные

состояния выражаются богатым набором звуков и жестов. Образ жизни преимущественно

дневной и древесный. Живут чаще стадами или семейными группами с достаточно

сложной иерархической структурой доминирования – подчинения (см. иерархия).

Размножаются круглый год, у большинства рождается всего 1 детѐныш.

позитивизм (лат. positivus – положительный) – философское направление, исходящее

из того, что все подлинное (позитивное) знание есть совокупный результат научного

изучения, и наука нуждается в какой-либо стоящей над ней философии. Во второй

половине XIX в. Оказал влияние на методологию естественных и гуманитарных наук.

Основатель – французский философ Огюст Конт (1798-1857), он же ввел термин.

Различают классический позитивизм: Э. Литтре, И. Тэн, Э. Ренан (Франция), Д. Милль, Г.

Спенсер (Великобритания), В.В. Лесевич, М.М. Троцкий (Россия); эмпириокритицизм

(махизм); современная форма – неопозитивизм или Аналитическая философия.

постиндустриальное общество – новая стадия общественного развития, следующей за

индустриальным обществом. Концепция выдвинута (Д. Белл, Г. Кан, З.Бжезинский,


120

А.Турен и др.) в конце 60-70-х гг. XX в. Ведущую роль играет сфера услуг, наука,

образование. Корпорации уступают место университетам, бизнесмены – ученым. В

сравнении с рынком труда и производства, основную ценность имеет интеллектуальная

собственность (патенты), акции, ценные бумаги. Существует правящая, образованная,

технократическая, имущая элита и управляемые массы – рабочие, служащие, фермеры.

Получает развитие в теории «информационного общества» (Е. Масуда, Д. Нейсбит и др.), в

которой отражен реальный рост значения производства, обработки, передачи,

распределения, потребления информации.

принцип причинности – устанавливает пределы влияния физических событий друг на

друга. Исключает влияние данного события на все прошедшие. Требует отсутствия

взаимного влияния событий, расстояние L между которыми велико, а время t столь мало,

что соотношение L/t > скорости света ( 3108 м/с).

психология (греч. psyche – душа; logos – слово, учение) – наука о закономерностях,

механизмах и фактах психической жизни человека и животных. Развивалась с глубокой

древности (Аристотель, «О душе»). В XVII-XVIII вв. на основе механистической

философии складывается детерминистический подход к психике. В середине XIX в. на

стыке с физиологией возникает экспериментальная психология (психофизика,

психофизиология). В 1870-80-х гг. становиться естественной наукой, складывается как

самостоятельная дисциплина, отличная от философии и физиологии. Главные течения XX

в. – бихевиоризм, психоанализ, гуманистическая психология, когнитивная (лат. cognitio –

знание, познание) психология.

пульсары (англ. pulsars, сокр. от Pulsating Sources of Radio emission – пульсирующие

источники радиоизлучения) – космические источники импульсного электромагнитного

излучения, открытые в 1967 г. в Великобритании группой Э. Хьюиша (р. 1924)

(Нобелевская премия 1974 г., совместно с М. Райлом (1918-84)). Импульсы пульсаров

повторяются с периодом от тысячных долей секунды до секунд с высокой точностью.

Большинство излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн. Пульсары

Крабовидной туманности и ряд других излучают также в оптическом, рентгеновском и

гамма-диапазонах. Радиопульсары отождествляются с быстровращающимися

нейтронными звездами. Энергия излучения черпается из энергии вращения звезды,

поэтому ее период вращения постепенно возрастает.

радиоастрономия – раздел астрономии, исследующий небесные тела по их

радиоизлучению при помощи радиотелескопов. Один из пионеров радиоастрономии –

американский инженер Карл Янский (Jansky – Дженский) (1905-50), открыл (1932)

космическое радиоизлучение. Наземные радиоастрономические наблюдения могут

проводиться в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м (более короткие и длинные волны

поглощает атмосфера). Для радиотелескопов, которые можно было бы установить на Луне,

этот диапазон может быть значительно шире. Разрешающая способность

радиоастрономических инструментов превысила возможности оптических телескопов.

Методами радиоастраномии были открыты новые типы источников космического

электромагнитного излучения (радиогалактики, пульсары, межзвездный газ), а также

реликтовое излучение.

распределение вероятностей появлений некоторого события. Например Нормальное

распределение (распределение Гаусса) )(xp

2

2

2

)(exp

2

1

Mx . Обозначения см. в

статьях среднее значение и дисперсия.

рационализм (лат. rationalis – разумный; ratio – разум) – философское направление,

признающее разум основой познания и поведения людей. Противостоит как

иррационализму, так и сенсуализму. Выступив против средневековой схоластики и

религиозного догматизма, классический рационализм XVII-XIII вв. (Р. Декарт, Б. Спиноза,


121

Г. Лейбниц) исходил из идеи естественного порядка – бесконечной причинной цепи.

Научное (т.е. объективное, всеобщее, необходимое) знание, согласно рационализму,

достижимо только посредством разума – одновременно источника знания и критерия его

истинности.

реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близок к

спектру абсолютно черного тела с темп-рой около 3 К. Наблюдается на волнах от

нескольких мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение связывают с

эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность

излучения (горячая Вселенная).

религия (лат. religio – набожность, святыня, предмет культа) – мировоззрение и

мироощущение, а также соответствующее поведение (этика, культ), основана на вере в

существование богов (политеизм, язычество) или одного Бога (монотеизм), в

сверхъестественное и в загробную жизнь. Основные мировые религии: буддизм,

христианство, ислам.

свет – в узком смысле электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых

человеческим глазом (4,0·1014

– 7,5·1014

Гц (Герц)). Длина волн от 380 нм (фиолетовый) до

760 нм (красный). В широком смысле – то же, что и оптическое излучение.

Распространяется со скоростью света.

синергетика (греч. synergetikos – совместный, согласованно действующий) – наука о

самоорганизации живой и неживой природы. Связана с термодинамикой неравновесных

процессов открытых систем (биологических, физико-химических и др.) Такими системами

являются биологические клетки и живые организмы. Благодаря интенсивному обмену

веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах

наблюдается согласованное поведение удалѐнных частей (подсистем), в результате, чего

возрастает степень ее упорядоченности, уменьшается энтропия, возникает

самоорганизация. Большой вклад внѐс бельгийский учѐный Илья Романович Пригожин

(1917-2003), Нобелевская премия 1977 г.

синтез (греч. synthesis – соединение) – соединение (мысленное или реальное)

различных элементов объекта в единое целое или систему. Неразрывно связан с анализом

(разделением на элементы).

скорость звука – скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость

звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем для

поперечных волн скорость распространения всегда меньше, чем для продольных).

Скорость звука в газах и парах от 150 до 1000 м/с, в жидкостях от 750 до 2000 м/с, в

твердых телах от 2000 до 6000 м/с. В воздухе при нормальных условиях скорость звука –

330 м/с, в воде – 1500 м/с.

скорость света – скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме

скорость света с = 299`792`456,2 ± 0,5 м/с (1995 г.) Предельная скорость распространения

любых физических воздействий. с – является мировой константой. В среде скорость света

всегда меньше с, зависит от изменения частоты, ν (длины волны – λ=с/ν).

социобиология – наука, которая изучает насколько поведение животных и человека

генетически обусловлены. Есть синтез популяционной генетики, эволюционной теории,

этологии и экологии. «Изучает биологические основы всех форм общественного

поведения, включая человека», – писал основоположник социобиологии Э. Уилсон.

Стремиться объяснить биологические (генетические) основы эволюции человека. В

соответствии с социобиологией: у человека нет целей, которые возникали бы сверх его

собственной биологической природы; культура не может изменять поведение человека,

приближая его к альтруистическому совершенству. Воспроизводство жизни – функция

эгоизма. Решает вопросы: существуют ли гены эгоизма, альтруизма и т.п. Выявила гены

агрессивности. Существует групповой отбор, который обусловлен генетически.


122

симбиоз (греч. symbiosis – совместная жизнь), форма тесного совместного

существования двух организмов разных видов, включая паразитизм (антагонистический

симбиоз). Часто взаимовыгоден для обоих симбионтов (взаимный симбиоз).Например

сосуществование между раком-отшельником и актинией, между животными (человеком) и

микроорганизмами, образующими нормальную кишечную флору. Ср. коэволюция,

поведенческая экономика (Даниэл Канеман (Daniel L. Kahneman) и Вернон Смит (Vernon

L. Smith) получили Нобелевскую премию по экономике 2002 г.), поведенческая экономика

животных – совсем юная отрасль науки.

среднее значение – M

x

n

ii

n

1 , где n – количество величин, xi – принимаемые ими

значения.

статистика (нем. Statistik, итал. stato – государство) – анализ массовых явлений,

основанный на применении методов вероятностей теории. Основные понятия: среднее

значение, отклонениями от средних значений (дисперсия), распределение вероятностей.

статистическая физика – изучает свойства систем, состоящих из очень большого

числа одинаковых частиц (молекул, атомов, электронов), исходя из свойств этих частиц и

взаимодействий между ними. Например в 1 см3 газа при t = 0С и P = 1 атм содержится

примерно 2,71019

молекул.

силлогизм (греч. syllogismós – рассуждение) – форма дедуктивного умозаключения, в

которой из двух высказываний (посылок) следует новое высказывание (заключение),

примеры: «всякое ... есть ...», «ни одно ... не есть ...», «некоторое ... есть ...», «некоторое ...

не есть ...» Пример: «Ни один кит (К) не есть рыба (Р), всякий кит (К) имеет рыбообразную

форму (Ф). Следовательно, некоторые имеющие рыбообразную форму (Ф) не есть рыбы.»

силлогистика (греч. syllogistikós – выводящий умозаключение) – исторически первое,

созданное Аристотелем учение о логической дедукции. Теория дедуктивного вывода,

оперирующая высказываниями со структурой: «М есть Р», где М – логическое подлежащее

или субъект (посыл), Р – логическое сказуемое, или предикат. Рассуждение

рассматривается в форме силлогизмов: «Все металлы – электропроводны, медь – металл,

следовательно, медь электропроводна.» В силлогистике выясняются общие условия, при

которых из одного или более высказываний следует некое новое высказывание –

заключение.

сингулярность – «место, где разрушается классическая концепция пространства и

времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на

основе классического пространства-времени» – Стивен Хогинг (р.1942).

схоластика (лат. scholastica; греч. scholastickós – школьный, учѐный) – тип

религиозной философии, характеризующийся принципиальным предпочтением примату

теологии, соединением теолого-догматических посылок с методикой рационализма и

особым интересом к проблемам формальной логики. Получила полное развитие в средние

века в Западной Европе. Подчинение мысли авторитету догмата. Известна формула Петра

Дамиани: «философия есть служанка богословия». Мышление схоластики идѐт путѐм

дедукции (из таких источников, как Библия, книги Платона и Аристотеля) и почти не знает

индукции. Основная форма – силлогизм. Схоластика – есть рассуждение

(философствование) в формах интерпретации текста. В этом она противоположна

новоевропейской науке (развивавшейся в рамках протестантства – протеста против

католичества) с открытием истины, через анализ опыта. Также противоположна мистике,

где истину можно «узреть» в экстатическом созерцании.

температура (лат. temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние) –

физическая величина полностью определяется средней кинетической энергией молекул

(атомов). Характеризует состояние термодинамического равновесия системы (см.


123

термодинамика). Температура всех частей изолированной системы, находящейся в

состоянии равновесия, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между ее

частями, имеющими различные температуры, происходит теплообмен. Теоретически

определяется на основе второго начала термодинамики, как производная от энергии тела

по его энтропии. Так, определяемая температура всегда положительна, ее наз. абсолютной

температурой или термодинамической температурной (по термодинамической шкале).

теория информации (сообщений теория) – раздел кибернетики, в котором

математическими методами изучаются способы измерения количества информации,

содержащейся в каких-либо сообщениях, и ее передачи.

теория относительности – физ. теория, рассматривающая пространственно-временные

свойства физических процессов. Устанавливаемые пространственно-временные свойства

общие для всех физических процессов. Физические явления, описываемые Релятивистский

(англ. relativity – относительность), проявляются при скоростях движения тел, близких к

скорости света в вакууме с. В основе лежат два принципа (постулата): 1) принцип

относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета для любых

законов физики; 2) постоянство скорости света с, ее независимость от скорости движения

источника света.

теория относительности общая (общая теория относительности, ОТО; теория

тяготения) – опубликована А. Эйнштейном в 1916 г. описывает поля тяготения. Свойства

пространства-времени зависят от больших масс и полей тяготения в данной области. См.

теория относительности.

теория относительности специальная (частная теория относительности, СТО) –

опубликована А. Эйнштейном в 1905 г. Частный случай теории относительности, когда

полями тяготения можно пренебречь. Описывает изменение времени, длины, массы,

системы отсчѐта, движущейся с большими скоростями, сравнимыми со скоростью света в

вакууме.

телеология (греч. telós – цель; logos – слово, учение) – учение о цели, приписывает

процессам и явлениям цель (целесообразность) устанавливаемую Богом (Х. Вольф), или

определяется внутренними причинами природы (Аристотель, Г. Лейбниц).

теология (греч. theos – Бог; logos – слово, учение) – богословие, совокупность

религиозных доктрин о сущности и действии Бога. Построена на основе текстов,

принимаемых как божественное откровение.

теория познания (гносеология, эпистемология) – раздел философии, изучает

закономерности и возможности познания, отношения знания к объективной реальности,

исследуются ступени и формы процесса познания, условия и критерии его достоверности

и истинности. Обобщает методы и приемы, современной наукой (эксперимент,

моделирование, анализ, синтез), выступает в качестве еѐ методологической основы.

термодинамика – наука, занимающаяся изучением законов преобразования и передачи

тепла, изучает наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в

состоянии термодинамического равновесия (ср. термодинамика неравновесная), и

процессы перехода между этими состояниями. Возникла в первой половине XIX в. в связи

с развитием теории тепловых машин (Н. Карно (1796-1832)) и установлением закона

сохранения энергии (Ю. Майер (1814-78), Д. Джоуль (1818-89), Г. Гельмгольц (1821-94)).

1-е начало термодинамики: Q=U+A, где Q - количество теплоты, U - внутренняя энергия, A

- работа. 2-е начало термодинамики: в замкнутой изолированной системе энтропия

(степень неупорядоченности) возрастает и стремится к своему равновесному –

максимальному значению.

термодинамика неравновесная (термодинамика неравновесных процессов) – наука,

изучающая открытые системы находящиеся в состояниях далѐких от равновесия в живой и

неживой природе. См. синергетика, термодинамика.


124

Тойнби Арнолд (1889-1975) – английский историк и социолог. Выдвинул теорию

круговорота сменяющих друг друга локальных цивилизаций, каждая из которых проходит

стадии возникновения, роста, надлома и разложения. Существуют «традиционные

общества» – подражание старшим, и «прогрессивные общества» – подражание

талантливым. Для развития общества необходимы кризисы.

туманности галактические – внутригалактические облака разреженных газов и пыли.

Содержат преимущественно газы, делятся на сфероидальные планетарные и диффузные,

не имеющие правильной формы. Газовые туманности светятся за счет переработки в

видимый свет коротковолнового (ультрафиолетовые) излучения очень горячих звезд,

расположенных в самой туманности или около нее. Пылевые туманности подразделяют на

светлые (они светятся отраженным светом) и темные (они видны на фоне Млечного пути

или светящихся туманностей).

Фарадей Майкл (1791-1867) – английский физик, создатель учения об

электромагнитном поле. Раскрыл связи между электричеством и магнетизмом;

магнетизмом и светом. Руководствовался идеей о единстве сил природы и исследовал

химическое действие электрического тока. Открыл (1831) электромагнитную индукцию

(возникновение ЭДС в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле;

или движущемся в постоянном магнитном поле), которая стала основой электротехники.

Установил (1833-1834) законы электролиза (законы Фарадея). Открыл вращение плоскости

поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность

различных форм электричества. Открыл парамагнетизм (свойство веществ парамагнетиков

намагничиваться в магнитном поле, приобретать магнитный момент, совпадающий с

направлением этого поля) и диамагнетизм (намагничивание, но магнитный момент

противоположен направлению поля). Учитель Фарадея, Х. Дэви, сказал, что его самым

великим открытием был сам Майкл Фарадей.

ферменты (лат. fermentum – закваска) (энзимы) – биологические катализаторы (см.

катализ ферментативный), присутствующие во всех живых клетках. Осуществляют

превращения веществ в организме, направляя и регулируя тем самым его обмен веществ.

По химической природе ферменты это белки. Они обладают оптимальной активностью

при определѐнной кислотности (рН). Многочисленные биохимические реакции в клетках

осуществляются при участии огромного числа различных ферментов.

Фибоначчи (Леонардо Пизанский) (1180-1240) – итальянский математик. Изучал

математику в Арабских странах. В основном труде «Книга абака» (1202) первым

систематически изложил достижения арабской математики, что способствовало

знакомству с ними в Западной Европе. Известны числа (ряд) Фибоначчи: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13,

21... (каждый последующий член равен сумме двух предыдущих). Заимствовал из арабской

математики. Ср. золотое сечение.

физика (греч. physikē, physis – природа) – наука о природе, изучающая простейшие и

одновременно более общие, наиболее фундаментальные свойства материального мира. По

изучаемым объектам подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер,

атомов, молекул, твѐрдого тела, плазмы и т.д. К разделам теоретической физики относятся:

механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория

относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

филогенез (греч. phýlon – род, племя; génesis – образование, возникновение) – процесс

исторического развития мира организмов, видов, родов, семейств, отрядов. Повторяет

индивидуальное развитие организма – онтогенез.

Флемстид Джон (1646-1719) – английский астроном, первый директор (с 1676)

Королевской обсерватории в г. Гринвич (Великобритания). Основные труды: таблицы

движения Луны (1673), каталог положений около 3 тыс. звезд (1712-25), звездный атлас

(опубликован в 1729).


125

флогистон (греч. phlogistos – воспламеняемый, горючий) – концепция горючести

(начало горючести) химиков XVII-XVIII вв. Составная часть веществ, которую они теряют

при горении и обжиге. Гипотеза была опровергнута трудами французского химика А.

Лавуазье (1743-1794).

флуктуация (лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения от среднего значения

наблюдаемой физической величины, характеризующие систему из большого числа частиц.

Вызываются тепловым движением частиц системы. Определяют теоретически возможный

предел чувствительности приборов. См. броуновское движение.

формальная логика – см. логика.

фотометрия (греч. phos, род. п. photos – свет; metreo - измеряю) – совокупность

методов измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения и

световых величин: освещенности, силы света, светового потока, яркости и др. С XX в.

измерение интенсивности излучений и потоков заряженных частиц по величине

почернения, вызываемого ими на светочувствительных пластинках.

фотон (греч. photos – свет) – квант света, квант электромагнитного излучения,

элементарная частица. Масса покоя равна нулю. Энергия равна E=h, где h =

6,626176(36)·10-34

Дж·с – универсальная постоянная, постоянная Планка. – частота

излучения.

химия (греч. Chēmeia – Хемия – древнее название Египта; араб. al-kīmiyā; средневек.

лат. – (al)chimia) – наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных

превращениях. В XVII в. Р. Бойль дал первое научное определение понятия «химический

элемент». Период превращения химии в подлинную науку завершился во 2-й половине

XVIII в., когда был сформулирован закон сохранения массы при химических реакциях

(М.В. Ломоносов, А. Лавуазье). Современная химия включает: неорганическую химию,

органическую химию, физическую химию, аналитическую химию, химию полимеров. На

стыке химии и других областей знания возникли: агрохимия, биохимия, геохимия,

биогеохимия, химическая технология, металлургия.

чѐрные дыры – космические объекты с огромной массой (миллиарды масс Солнца),

существование которых предсказывает общая теория относительности. Образуются при

неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных

космических тел. Излучение черной дыры заперто гравитацией, можно обнаружить лишь

по их тяготению, по излучению газа, падающего на них извне либо по излучению С.

Хокинга (р. 1942). Все вещество внутри черной дыры непременно падает к ее центру и

образует сингулярность с бесконечно большой плотностью.

Шрѐдингер Эрвин (1887-1961) – австрийский физик-теоретик, один из создателей

механики квантовой. Разработал волновую механику и сформулировал ее основное

уравнение (Шредингера уравнение). Состояние частицы полностью определяется ее

волновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в

которой волновая функция отлична от нуля.

Шрѐдингера уравнение – основное уравнение нерелятивистской квантовой механики.

Состояние микросистемы определяется волновой функцией, квадрат еѐ модуля определяет

вероятность данного микроскопического состояния и, следовательно, вероятности

значений физических величин (координата, импульс), характеризующих это состояние.

Волновая функция (читается «пси»), микрочастицы с массой m, под действием силы,

порождаемой потенциалом V: ( / )( / )

( , , , ) .iht

h

mV x y z t2

2

2

2

Позволяет определить

возможные состояния системы. Сформулированы Э. Шрѐдингером в 1926 г. Играет такую

же фундаментальную роль в механике квантовой, как и уравнения И. Ньютона в

классической механике. Является математическим выражением корпускулярно-волнового

дуализма. Решением являются дискретные функции, что соответствует квантовой природе.


126

эволюция (лат. evolutio – развертывание) – в широком смысле, постепенное изменение

процессов в обществе и природе, рассматривается как результат длительного изменения,

направленности и необратимости, упорядоченности. В более узком смысле –

представление о медленных, постепенных изменениях в отличие от революции.

эволюционная теория (лат. evolutio – развѐртывание) – процесс изменения и развития,

одна из форм движения в природе и обществе. Необратимое историческое развитие живой

природы. Учение об историческом развитии живой природы. Все ныне существующие

виды (1-5%) организмов произошли от ранее существовавших (95-99%) путем длительного

их изменения, Дарвинизм (см. Ч. Дарвин). Существует также Трансформизм, Ламаркизм.

Эйнштейн Альберт (1879-1955) – физик-теоретик, один из основателей современной

физики. Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933

эмигрировал в США. Создал специальную (1905) и общую (1907-16) теории

относительности. Ввел понятие фотона (1905), установил законы фотоэффекта

(Нобелевская премия 1921 г.) Развил статистическую теорию броуновского движения,

заложил основы теории флуктуаций, создал квантовую статистику. С 1933 работал над

проблемами космологии и единой теории поля.

экология (греч. oikos – дом, жилище, место обитания; logos – слово, учение) – наука об

отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими связей между собой

и с окружающей средой, выступает за сохранение живой природы. Живой мир не есть

совокупность живых существ, а единая система. Если даже небольшая его часть погибнет,

погибнет и все остальное, нарушится равновесие. Термин ввѐл немецкий учѐный Э.

Геккель (1866), расцвета достигла в XX в. См. В.И. Вернадский.

электродинамика – классическая, теория электромагнитных процессов в различных

средах и в вакууме. Охватывает огромную совокупность явлений, в которых основную

роль играют взаимодействия между заряженными частицами, осуществляемые

посредством электромагнитного поля. Все явления электродинамики можно описать с

помощью четырѐх уравнений Д. Максвелла, которые устанавливают связь величин,

характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве

зарядов и токов.

эмпатия (сочувствие, сопереживание) – психологический подход к пониманию.

эмпиризм (греч. empeiria – опыт) – направление в теории познания, признающее

чувственный опыт единственным источником достоверного знания. Противостоит

рационализму. Для эмпиризма характерна абсолютизация опыта, чувственного познания,

принижение роли рассуждений, понятий, теорий. Как целостная гносеологическая

концепция эмпиризм сформировался в XVII-XVIII вв. (Ф. Бэкон, Т. Гоббос, Дж. Локк, Дж.

Беркли, Д. Юм). Элементы эмпиризма присущи позитивизму, неопозитивизму (логический

эмпиризм).

энтелехия (греч. entelecheia – завершение, осуществлѐнность) – понятие философии

Аристотеля, означающее осуществление какой-либо возможности бытия (Акт и потенция),

а также движущий фактор этого осуществления (напр., душа как энтелехия тела), и

выражающее единство четырех основных принципов бытия: формы и материи,

действующей причины, цели. В новое время понятие энтелехия характерно для систем,

основанных на телеологии. Г. Лейбниц: монада как энтелехия. Х. Дриш (немецкий

биолог): витализм.

энтропия (греч. entropia – поворот, превращение) – S, понятие, введенное в 1865 г.

немецким физиком Р.Клаузиусом в термодинамике для определения меры необратимого

рассеяния энергии.

SQ

T ( S – изменение энтропии, Q – количество теплоты, T –

абсолютная температура). Неравновесные процессы в изолированной системе

сопровождаются ростом энтропии. «Энергия - творец, энтропия - мера творчества». Также


127

широко применяется в статистической физике как мера вероятности осуществления

макроскопического состояния, в теории информации как мера неопределенности опыта

(испытания).

этика (греч. ethika, от ethos – обычай, нрав, характер) – дисциплина, изучающая

поведении человека (мораль, нравственность). Как обозначение особой области

исследования термин впервые употребляется Аристотелем. В Древней Греции

существовало деление философии на логику, физику и этику, которая понималась как наука

о природе человека. В XX в. (М. Шелер, Н. Гартман) в противовес кантовской (И. Кант)

«формальной» этике долга разрабатывали материальную (содержательную) этику

ценностей. С древности центральным моментом является проблема добра и зла.

этнология (греч. ethnos – племя, народ) – изучает бытовые и культурные особенности

народов мира – происхождение, расселение, взаимоотношения.

этология (греч. ethos – обычай, нрав, характер; logos - слово, учение) – наука,

изучающая поведение животных (и человека) и эволюцию поведения в естественных

условиях, уделяет преимущественное внимание генетически обусловленным

(наследственным, инстинктивным) компонентам поведения.

эфир мировой (греч. aither – верхние слои воздуха) – всепроникающая среда,

переносчик света и других электромагнитных взаимодействий. Существовал до появления

специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейна.

ятромеханика (иатромеханика, иатрофизика) (греч. iatros – врач) – направление в

медицине XVI-XVIII вв., представители которого пытались объяснить все

физиологические и патологические явления на основе законов механики (физики). Ср.

ятрохимия.

ятрохимия (иатрохимия, греч. iatros – врач) – направление в медицине XVI-XVIII вв.

Процессы, происходящие в организме, рассматривались как химические явления, болезни

– как результат нарушения химического равновесия и ставили задачу поиска химических

средств их лечения. Оказалась более прогрессивной, чем ятромеханика.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯspros.tamb.ru/kce_g.pdf ·...

Documents