Горбачев КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО...

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

1

Сканирование и форматирование: Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] || [email protected] || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Библиотека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Номера страниц - внизу update 20.11.06

В. В. Горбачев КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Рекомендовано

Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений Москва

«ОНИКС 21 век» «Мир и Образование»

2003 УДК 50(075.8) ББК 20.1 Г67 Г67 Горбачев В. В.

http://yanko.lib.ru/http://yanko.lib.ru/gum.htmlmailto:[email protected]:[email protected]://yanko.lib.ru/http://yanko.lib.ru/gum.html



2

Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов / В. В. Горбачев.—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил. ISBN 5-329-00647-3 (ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век») ISBN 5-94666-055-1 (ООО «Издательство «Мир и Образование»)

В учебном пособии изложены физические принципы, позволяющие объяснить ок ружающий нас мир живой и неживой природы с позиций современной, в том числе постнеклассической, физики. Рассмотрены общие фундаментальные физические проблемы движения материальн х объектов в п едставл ниях классической, квантовой и ы р ерелятивистской механик, взаимосвязи пространства и времени, модели происхождения, эволюции и организации Вселенной. Изложены физические основы экологии и роль биосферы и ноосферы в жизни человека и синергетические модели в экономике.

Пособие содержит интересные факты и гипотезы из различных областей физики и техники, биологии, химии, социологии и других наук. В книгу включены вопросы для самопроверки, обширный список литературы, темы рефератов, словарь терминов, используемых в современном естест ознании. в

Предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей вузов. Полезно широкому кругу читателей, интересующихся проблемами современного естествознания. Автор: ГОРБАЧЕВ В. В. — академик-секретарь секции физики Российской Академии естественных наук и действительный член Российской академии космонавтики им. Э. К. Циолковского, профессор, доктор физико-математических наук. Автор более 20 монографий и учебников. Заслуженный деятель науки РФ. Лауреат именных медалей РАЕН им. П. Л. Капицы и Петра I. Награжден серебряным крестом РАЕН, орденом Татищева «За пользу Отечеству». Лауреат премии А. Л. Чижевского «За вклад в пропаганду идей Чижевского и развития современного естествознания». УДК 50(075.8) ББК 20.1 ISBN 5-329-00647-3 (ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век») ISBN 5-94666-055-1 (ООО «Издательство «Мир и Образование») © Горбачев В. В., 2003 © ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век». Оформление, 2003



3

Электронное оглавление ............................................................................................................................................. Электронное оглавление ..............................................................................................3 Капсулы (вставки) ........................................................................................................9 ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................................................................10 Данный курс состоит из двух частей. ......................................................................10 Часть I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА.........................................................................................................................................12 Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ ........................................... 12

Владимир Иванович Вернадский.....................................................13 1.1. Этапы развития и становления естествознания ....................................................................... 15

1.1.1. Программа Платона ........................................................................................................... 16 1.1.2. Представления Аристотеля ............................................................................................... 16 1.1.3. Модель Демокрита ............................................................................................................. 17

1.2. Проблемы естествознания на пути познания мира ................................................................. 18 1.2.1. Физический рационализм.................................................................................................. 18 1.2.2. Методы познания ............................................................................................................... 19

Эрнест Резерфорд ..............................................................................19 1.2.3. Целостное восприятие мира.............................................................................................. 20 1.2.4. Физика и восточный мистицизм ....................................................................................... 20

Лао-Цзы ..............................................................................................21 Рис. 1.1 .............................................................................................................................. 23

1.2.5. Взаимосвязь естественных и гуманитарных наук........................................................... 23 Вернер Гейзенберг.............................................................................25

1.2.6. Синергетическая парадигма .............................................................................................. 26 1.2.7. Универсальный принцип естествознания — принцип дополнительности Бора .......... 27

Нильс Бор ...........................................................................................27 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................................................. 32 ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................... 32

Глава 2. МЕХАНИКА ДИСКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ.................................................................. 32 2.1. Трехмерность пространства....................................................................................................... 33 2.2. Пространство и время ................................................................................................................ 35

Исаак Ньютон ....................................................................................37 Рис. 2.1. Изображение мировой линии в пространственно-временной системе отсчета............................................................................................................................... 38

2.3. Особенности механики Ньютона .............................................................................................. 39 2.4. Движение в механике ................................................................................................................. 41 2.5. Законы Ньютона — Галилея...................................................................................................... 42 2.6. Законы сохранения ..................................................................................................................... 44 2.7. Принципы оптимальности ......................................................................................................... 46 2.8. Механическая картина мира ...................................................................................................... 48

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................................................. 49 ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................... 49

Глава 3. ФИЗИКА ПОЛЕЙ .............................................................................................................. 49 3.1. Определение понятия поля ........................................................................................................ 49

Рис. 3.1. Модель силовых линий поля............................................................................ 50 3.2. Законы Фарадея — Максвелла для электромагнетизма.......................................................... 51 3.3. Электромагнитное поле ............................................................................................................. 52 3.4. Гравитационное поле ................................................................................................................. 53 3.5. Электромагнитная картина мира............................................................................................... 55


Глава 4. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА — МОСТ МЕЖДУ МЕХАНИКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМОМ .......................................................................... 55

4.1. Физические начала специальной теории относительности (СТО)......................................... 56 А. Эйнштейн ......................................................................................56

4.1.1. Постулаты А. Эйнштейна в СТО ...................................................................................... 56 4.1.2. Принцип относительности Г. Галилея ............................................................................. 57

Рис. 4.1. ............................................................................................................................. 57 Рис. 4.2. Преобразование Галилея х'= х— vt связывает положение тела Ρ в системах



4

отсчета К и К'. .................................................................................................................. 58 Рис. 4.3. Изменение электромагнитных сил в неподвижной К и подвижной К' системах отсчета. ............................................................................................................. 58 Рис. 4.4. ............................................................................................................................. 59

4.1.3. Теория относительности и инвариантность времени ..................................................... 59 4.1.4. Постоянство скорости света.............................................................................................. 60

Рис. 4.5. «Поезд Эйнштейна».......................................................................................... 60 4.1.5. Преобразования Г. Лоренца .............................................................................................. 61 4.1.6. Изменение длины и длительности времени в СТО......................................................... 61

Рис. 4.6. Сокращение длины отрезка в направлении перемещения для системы, движущейся со скоростью ν ≈ с. ..................................................................................... 62

4.1.7. «Парадокс близнецов»....................................................................................................... 62 4.1.8. Изменение массы в СТО.................................................................................................... 63

4.2. Общая теория относительности (ОТО)..................................................................................... 64 4.2.1. Постулаты ОТО.................................................................................................................. 64 4.2.2. Экспериментальная проверка ОТО .................................................................................. 65

Рис. 4.7. Отклонение световых лучей от звезды S при прохождении около Солнца от прямолинейной траектории............................................................................................. 65

4.2.3. Гравитация и искривление пространства......................................................................... 66 Рис. 4.8. Движение субъектов А и В с экватора точно на север по параллельным траекториям. ..................................................................................................................... 67

4.2.4. Основные итоги основ теории относительности............................................................. 68 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................................................. 68 ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................... 69

Глава 5. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ............................................................................................................................................................... 69 5.1. Описание процессов в микромире ............................................................................................ 69

Первое. .................................................................................................................................. 69 Второе. .................................................................................................................................. 69

5.2. Необходимость введения квантовой механики ....................................................................... 70 Эрвин Шрёдингер..............................................................................70

абсолютно черное тело ........................................................................................................ 71 корпускулярно-волновой дуализм...................................................................................... 71

Луи де Бройль ....................................................................................71 5.3. Гипотеза Планка ......................................................................................................................... 72

Макс Планк ........................................................................................72 5.4. Измерения в квантовой механике ............................................................................................. 74 5.5. Волновая функция и принцип неопределенности В. Гейзенберга......................................... 74

Вольфганг Паули ...............................................................................75 5.6. Квантовая механика и обратимость времени........................................................................... 76 5.7. Квантовая электродинамика ...................................................................................................... 76


Глава 6. ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ ................................................................................................... 77 6.1. Космологическая модель А. Эйнштейна — A.A. Фридмана .................................................. 77 6.2. Другие модели происхождения Вселенной.............................................................................. 79

6.2.1. Модель Большого Взрыва ................................................................................................. 79 Георгий Антонович Гамов................................................................81

6.2.2. Реликтовое излучение........................................................................................................ 82 6.2.3. Расширяется или сжимается Вселенная? ......................................................................... 83 6.2.4. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва................................................ 83

Рис. 6.1. Схема физической истории Вселенной........................................................... 84 6.2.5. Модель раздувающейся Вселенной.................................................................................. 85

6.3. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной........................................................................................................................................... 86

Поль Дирак.........................................................................................88 6.3.1. Классификация элементарных частиц ............................................................................. 88

Рис. 6.2. Схема классификации элементарных частиц. ................................................ 89 6.3.2. Кварковая модель............................................................................................................... 89

Таблица 6.1 ....................................................................................................................... 90 Таблица 6.2 ....................................................................................................................... 91 Таблица 6.3 ....................................................................................................................... 91

6.4. Фундаментальные взаимодействия и мировые константы ..................................................... 91 6.4.1. Мировые константы........................................................................................................... 92



5

6.4.2. Фундаментальные взаимодействия и их роль в природе ............................................... 93 6.4.3. Из чего же состоит вещество Вселенной? ....................................................................... 94

Рис. 6.3. Возможные формы стабильной материи во Вселенной ................................ 95 6.4.4. Черные дыры ...................................................................................................................... 95

6.5. Модель единого физического поля и многомерность пространства—времени ................... 97 6.5.1. Возможность многомерности пространства.................................................................... 98

Рис. 6.4. Модель трехмерного частотного пространства (ОД — оптический диапазон, видимая часть спектра, УФ — ультрафиолетовая, ИК — инфракрасная). ................. 99

6.6. Устойчивость Вселенной и антропный принцип..................................................................... 99 6.6.1. Множественность миров ................................................................................................. 100

Рис. 6.5. Схематическое изображение областей, соответствующих устойчивым областям Вселенной....................................................................................................... 101

6.6.2. Иерархичность структуры Вселенной............................................................................ 101 Рис. 6.6. Масштабы Вселенной ..................................................................................... 102 Рис. 6.7. Масштабы микромира .................................................................................... 103

6.7. Антивещество во Вселенной и антигалактики ...................................................................... 103 6.8. Механизм образования и эволюции звезд.............................................................................. 104

6.8.1. Протон-протонный цикл ................................................................................................. 105 Рис. 6.8. Схематическое изображение протон-протонной цепочки. ......................... 106

6.8.2. Углеродо-азотный цикл ................................................................................................... 106 6.8.3. Эволюция звезд ................................................................................................................ 107

Рис. 6.9. Главная последовательность звезд населения I, к которым относится Солнце (тC — масса Солнца)........................................................................................ 108 Рис. 6.10. Диаграмма эволюции звезд населения I...................................................... 109

6.8.4. Пульсары........................................................................................................................... 109 Рис. 6.11. Модель пульсара, предложенная Голдом. .................................................. 110

6.8.5. Квазары ............................................................................................................................. 111 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 112 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 113

Глава 7. ПРОБЛЕМА «ПОРЯДОК—БЕСПОРЯДОК» В ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ.............................................................................. 113

7.1. Неравновесная термодинамика и синергетика ...................................................................... 114 7.2. Динамика хаоса и порядка ....................................................................................................... 115 7.3. Модель Э. Лоренца ................................................................................................................... 115 7.4. Диссипативные структуры....................................................................................................... 116 7.6. Реакции Белоусова — Жаботинского ..................................................................................... 116 7.7. Динамический хаос .................................................................................................................. 117 7.8. Фазовое пространство .............................................................................................................. 118 7.9. Аттракторы................................................................................................................................ 118

Рис. 7.1. Изображение аттракторов на фазовых диаграммах. .................................... 119 Рис. 7.2. Бифуркационная диаграмма (А — характеристика системы, λ — управляющий параметр)................................................................................................ 119

7.10. Режим с обострением ............................................................................................................. 122 7.11. Модель Пуанкаре описания изменения состояния системы............................................... 124 7.12. Динамические неустойчивости ............................................................................................. 125 7.13. Изменение энергии при эволюции системы......................................................................... 126 7.14. Гармония хаоса и порядка и «золотое сечение» .................................................................. 126

Леонардо да Винчи..........................................................................127 7.15. Открытые системы ................................................................................................................. 129 7.16. Принцип производства минимума энтропии ....................................................................... 130

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 131 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 131

Глава 8. СИММЕТРИЯ И АСИММЕТРИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЯХ.............................................................................................................................. 131

8.1. Симметрия и законы сохранения ............................................................................................ 133 8.2. Симметрия—асимметрия......................................................................................................... 134 8.3. Закон сохранения электрического заряда............................................................................... 135 8.4. Зеркальная симметрия.............................................................................................................. 135 8.5. Другие виды симметрии .......................................................................................................... 136 8.6. Хиральность живой и неживой природы ............................................................................... 137

Рис. 8.1. Зеркальная симметрия молекул воды (а) и бутилового спирта (б). ........... 138 8.7. Симметрия и энтропия ............................................................................................................. 138




6

Глава 9. СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА С ПОЗИЦИИ ФИЗИКИ............................................................................................................................................ 139

9.1. Классификация механик .......................................................................................................... 140 Рис. 9.1. Куб фундаментальных физических теорий. ................................................. 141

9.2. Современная физическая картина мира ................................................................................. 141 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 143 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 144

Часть II. ФИЗИКА ЖИВОГО И ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА145 Глава 10. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ ЖИВОГО ............................................................ 145 Глава 11. ОТ ФИЗИКИ СУЩЕСТВУЮЩЕГО К ФИЗИКЕ ВОЗНИКАЮЩЕГО ............. 146

11.1. Термодинамические особенности развития живых систем ................................................ 147 11.1.1. Роль энтропии для живых организмов ......................................................................... 148 11.1.2. Неустойчивость как фактор развития живого ............................................................. 149

11.2. Энергетический подход к описанию живого ....................................................................... 150 11.2.1. Устойчивое неравновесие ............................................................................................. 151

11.3. Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого ................ 152 11.3.1. Иерархия уровней организации живого....................................................................... 153 11.3.2. Метод Фибоначчи как фактор гармонической самоорганизации.............................. 154 11.3.3. Физический и биологический методы изучения природы живого............................ 155 11.3.4. Антропный принцип в физике живого......................................................................... 156 11.3.5. Физическая эволюция Л. Больцмана и биологическая эволюция Ч. Дарвина ......... 157

11.4. Физическая интерпретация биологических законов ........................................................... 158 11.4.1. Физические модели в биологии .................................................................................... 159 11.4.2. Физические факторы развития живого ........................................................................ 161

11.5. Пространство и время для живых организмов..................................................................... 162 11.5.1. Связь пространства и энергии для живого .................................................................. 163 11.5.2. Биологическое время живой системы .......................................................................... 163 11.5.3. Психологическое время живых организмов ................................................................ 165

11.6. Энтропия и информация в живых системах......................................................................... 167 11.6.1. Ценность информации ................................................................................................... 168 11.6.2. Кибернетический подход к описанию живого ............................................................ 170 11.6.3. Роль физических законов в понимании живого .......................................................... 171 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 172 ЛИТЕРАТУРА: ...................................................................................................................... 172

Глава 12. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИИ .................................. 172 12.1. От атомов к протожизни ........................................................................................................ 172

12.1.1. Гипотезы происхождения жизни .................................................................................. 172 12.1.2. Необходимые факторы возникновения жизни ............................................................ 174 12.1.3. Теория абиогенного происхождения жизни А.И. Опарина........................................ 175 12.1.4. Гетеротрофы и автотрофы............................................................................................. 176

12.2. Химические процессы и молекулярная самоорганизация .................................................. 177 12.2.1. Химические понятия и определения ............................................................................ 178

Рис. 12.1. Схема изменения свободной энергии и химической связи в молекулах живых организмов.......................................................................................................... 181

12.2.2. Аминокислоты................................................................................................................ 182 12.2.3. Теория химической эволюции в биогенезе.................................................................. 182 12.2.4. Теория молекулярной самоорганизации М. Эйгена ................................................... 183

12.2.5. Циклическая организация химических реакций и гиперциклы ...................................... 184 12.3. Биохимические составляющие живого вещества ................................................................ 185

12.3.1. Молекулы живой природы ............................................................................................ 185 12.3.2. Мономеры и макромолекулы ........................................................................................ 186 12.3.3. Белки ............................................................................................................................... 187

Рис. 12.2. Структура белка-миоглобина....................................................................... 188 Рис. 12.3. Структуры 20 аминокислот, встречающихся в белках. ............................. 189

12.3.4. Нуклеиновые кислоты ................................................................................................... 191 Рис. 12.4. Строение нуклеотида — мономера нуклеиновых кислот. ........................ 191 Рис. 12.5. Двойная спираль молекулы ДНК................................................................. 192 Рис. 12.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов. .................................. 193

12.3.5. Углеводы......................................................................................................................... 193 Рис. 12.7. Структура АТФ. ............................................................................................ 194 Рис. 12.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ............................. 194 Рис. 12.9. Схема образования молекулы АТФ............................................................. 194 Рис. 12.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма. ....................................................................................... 195

12.3.6. Липиды............................................................................................................................ 195



7

Рис. 12.11. Структура ненасыщенных (а) и насыщенных (б) жирных кислот. ........ 196 Рис. 12.12. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде............................... 196 Рис. 12.13. Растворение углеводородных цепей мыла в масле. ................................. 197

12.3.7. Роль воды для живых организмов ................................................................................ 198 12.4. Клетка как элементарная частица молекулярной биологии ............................................... 199

12.4.1. Строение клетки ............................................................................................................. 200 Рис. 12.14. Строение клетки. ......................................................................................... 200

12.4.2. Процессы в клетке.......................................................................................................... 202 12.4.3. Клеточные мембраны .................................................................................................... 203 12.4.4. Фотосинтез...................................................................................................................... 204 12.4.5. Деление клеток и образование организма ................................................................... 205

Рис. 12.15. Клеточный цикл. ......................................................................................... 206 12.5. Роль асимметрии в возникновении живого.......................................................................... 207

12.5.1. Оптическая активность вещества и хиральность ........................................................ 208 12.5.2. Гомохиральность и самоорганизация в живых организмах....................................... 209 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 211 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 212

Глава 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ ........................................................................................................................................... 212

13.1. Информационные молекулы наследственности .................................................................. 212 13.1.1. Генетический код ........................................................................................................... 213 13.1.2. Гены и квантовый мир ................................................................................................... 214 Иерархия и сопоставление элементов в физическом и генетическом атомизме ................. 215

13.2. Воспроизводство и наследование признаков ....................................................................... 215 13.2.1. Генотип и фенотип......................................................................................................... 216

Геном................................................................................................................................... 216 Генофонд............................................................................................................................. 216

13.2.2. Законы генетики Г. Менделя......................................................................................... 216 13.2.3. Хромосомная теория наследственности ...................................................................... 217

13.3. Процессы мутагенеза и передача наследственной информации ........................................ 218 13.3.1. Мутации и радиационный мутагенез ........................................................................... 218

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.............................219 13.3.2. Мутации и развитие организма..................................................................................... 221

13.4. Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика........................................................................................................................................................... 222

13.4.1. Передача наследственной информации через репликации ........................................ 222 Рис. 13.1. Репликация ДНК. .......................................................................................... 223

13.4.2. Матричный синтез путем конвариантной редупликации........................................... 223 13.4.3. Транскрипция ................................................................................................................. 224 13.4.4. Трансляция...................................................................................................................... 224

Рис. 13.2. Схема биосинтеза белков. ............................................................................ 225 Рис. 13.3. Основные этапы процесса передачи генетической информации. ............ 225

13.4.5. Отличия белков и нуклеиновых кислот ....................................................................... 226 13.4.6. Новый механизм передачи наследственной информации и прионные болезни ...... 227 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 228 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 228

Глава 14. ФИЗИЧЕСКОЕ ПОНИМАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО И ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ ............................................................. 228

14.1. Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни........................................................................................................................................................... 228

14.1.1. Закон Геккеля для онтогенеза и филогенеза................................................................ 228 14.1.2. Онтогенетический уровень жизни................................................................................ 229 14.1.3. Популяции и популяционно-видовой уровень живого............................................... 229

14.2. Физическое представление эволюции .................................................................................. 230 14.2.1. Синтетическая теория эволюции .................................................................................. 230 14.2.2. Эволюция популяций..................................................................................................... 231 14.2.3. Элементарные факторы эволюции ............................................................................... 232 14.2.4. Живой организм в индивидуальном и историческом развитии................................. 233 14.2.5. Геологическая эволюция и общая схема эволюции Земли по H.H. Моисееву......... 234

14.3. Аксиомы биологии ................................................................................................................. 235 14.3.1. Первая аксиома............................................................................................................... 236 14.3.2. Вторая аксиома............................................................................................................... 236 14.3.3. Третья аксиома ............................................................................................................... 237 14.3.4. Четвертая аксиома.......................................................................................................... 239 14.3.5. Физические представления аксиом биологии ............................................................. 240



8

14.4. Признаки живого и определения жизни ............................................................................... 240 14.4.1. Совокупность признаков живого.................................................................................. 241 14.4.2. Определения жизни ....................................................................................................... 243

14.5. Физическая модель демографического развития СП. Капицы........................................... 245 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 248 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 248

Глава 15. ФИЗИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР........................................................................................................................................ 248

15.1. Физические поля и излучения функционирующего организма человека ......................... 248 Рис. 15.1. Схема физических полей в организме человека......................................... 249

15.1.1. Электромагнитные поля и излучения живого организма........................................... 249 Рис. 15.2. Распределение вокруг человека электрического поля, образующегося в результате биоэлектрической активности его сердца................................................ 250

15.1.2. Тепловое и другие виды излучений.............................................................................. 253 15.2. Механизм взаимодействия излучений человека с окружающей средой ........................... 254

15.2.1. Электромагнитное и ионизирующее излучения.......................................................... 254 15.2.2. Возможности медицинской диагностики и лечения на основе излучений из организма человека .................................................................................................................... 257

15.3. Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме................... 259 15.3.1. Физические процессы передачи информационного сигнала в живом организме.... 260

Рис. 15.3. Строение нейрона. ........................................................................................ 260 Рис. 15.4. Электрический потенциал действия нервного импульса. ......................... 261

15.3.2. Физическая основа памяти ............................................................................................ 262 15.3.3. Человеческий мозг и компьютер .................................................................................. 264 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 265 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 265

Глава 16ю ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСФЕРЫ И ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ.............. 265 16.1. Структурная организованность биосферы ........................................................................... 265

16.1.1. Биоценозы....................................................................................................................... 266 16.1.2. Геоценозы и биогеоценозы. Экосистемы..................................................................... 266 16.1.3. Понятие биосферы ......................................................................................................... 267 16.1.4. Биологический круговорот веществ в природе ........................................................... 268 16.1.5. Роль энергии в эволюции .............................................................................................. 268

Рис. 16.1. Распределение солнечной энергии, поступающей на Землю.................... 269 16.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество ................................. 270

16.2.1. Живое вещество ............................................................................................................. 270 16.2.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского ........................................................ 271

16.3. Физические представления эволюции биосферы и переход к ноосфере........................... 272 16.3.1. Основные этапы эволюции биосферы.......................................................................... 272 16.3.2. Ноосфера......................................................................................................................... 272 16.3.3. Преобразование биосферы в ноосферу ........................................................................ 273

16.4. Физические факторы влияния Космоса на земные процессы ............................................ 274 Рис. 16.2. Общая схема солнечно-земных связей........................................................ 275 Рис. 16.3. Взаимодействие заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли.......................................................................................................................................... 276

16.4.1. Связь Космоса с Землей по концепции А.Л. Чижевского .......................................... 276 Александр Леонидович Чижевский...............................................277

16.5. Физические основы экологии ................................................................................................ 278 16.5.1. Увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду ................................... 279 16.5.2. Физические принципы ухудшения экологии .............................................................. 281

16.6. Принципы устойчивого развития.......................................................................................... 282 16.6.1. Оценки устойчивости биосферы .................................................................................. 282 16.6.2. Концепция устойчивого развития и необходимость экологического образования . 284 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................................................... 285 ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 285

Глава 17. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ САМООРГАНИЗАЦИИ В ЭКОНОМИКЕ............... 285 17.1. Экономическая модель длинных волн Н. Д. Кондратьева.................................................. 287 17.2. Обратимость и необратимость процессов в экономике ...................................................... 288 17.3. Синергетические представления устойчивости в экономике ............................................. 289 17.4. Физическое моделирование рынка ....................................................................................... 290 17.5. Циклический характер экономических процессов в модели Н.Д. Кондратьева ............... 290 17.6. Модель колебательных процессов в экономике .................................................................. 293


ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ЭВОЛЮЦИОННО-СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА:



9

ОТ ЦЕЛОСТНОГО ЕСТВЕСТВОЗНАНИЯ К ЦЕЛОСТНОЙ КУЛЬТУРЕ .295 ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................................300 Основная............................................................................................................................................ 300 Дополнительная ............................................................................................................................... 300

ТЕМЫ КУРСОВЫХ РАБОТ, РЕФЕРАТОВ И ДОКЛАДОВ ...........................304 ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ И ЭКЗАМЕНУ ................................................................309 СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ ...........................................................................................312

А............................................................................................................................................... 312 Б ............................................................................................................................................... 314 В............................................................................................................................................... 315 Г ............................................................................................................................................... 317 Д............................................................................................................................................... 319 Ε ............................................................................................................................................... 320 Ж.............................................................................................................................................. 320 3 ............................................................................................................................................... 321 И............................................................................................................................................... 322 К............................................................................................................................................... 323 Л............................................................................................................................................... 326 Μ .............................................................................................................................................. 327 Η............................................................................................................................................... 329 О............................................................................................................................................... 330 Π............................................................................................................................................... 331 Ρ ............................................................................................................................................... 337 С............................................................................................................................................... 339 Τ ............................................................................................................................................... 343 У............................................................................................................................................... 345 Φ .............................................................................................................................................. 346 X............................................................................................................................................... 348 Ц............................................................................................................................................... 348 Ч............................................................................................................................................... 349 Ш ............................................................................................................................................. 349 Э............................................................................................................................................... 349 Я............................................................................................................................................... 352

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................................353 СОДЕРЖАНИЕ .........................................................................................................354

Капсулы (вставки) Владимир Иванович Вернадский.....................................................13 Эрнест Резерфорд ..............................................................................19 Лао-Цзы ..............................................................................................21 Вернер Гейзенберг.............................................................................25 Нильс Бор ...........................................................................................27 Исаак Ньютон ....................................................................................37 А. Эйнштейн ......................................................................................56 Эрвин Шрёдингер..............................................................................70 Луи де Бройль ....................................................................................71 Макс Планк ........................................................................................72 Вольфганг Паули ...............................................................................75 Георгий Антонович Гамов................................................................81 Поль Дирак.........................................................................................88 Леонардо да Винчи..........................................................................127 Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.............................219 Александр Леонидович Чижевский...............................................277



10

ПРЕДИСЛОВИЕ Курс «Концепции современного естествознания» представляет собой синтез мудрости

древних цивилизаций, достижений естественных и гуманитарных наук, прокладывает путь к пониманию природы, человека и общества. Он охватывает широкий круг вопросов и является основополагающим, фундаментальным для всего современного образования.

Появление курса «Концепции современного естествознания» обусловлено проблемами, которые возникли перед человечеством к началу третьего тысячелетия. На многие конкретные вопросы той или иной профессии дают ответ специальные науки, но они не отвечают на глобальные вопросы: как устроен окружающий нас мир в целом? каким фундаментальным законам подчиняется природа? что представляют собой Жизнь, Разум, Человек и где его место во Вселенной? Во многом это определяется формированием такого типа мышления и методов познания, которые позволяют выявить фундаментальные закономерности и универсальные принципы, управляющие процессами в окружающем мире. Им соответствуют достижения естественных наук, и в первую очередь физики. Однако сейчас становится все более очевидным, что целостное восприятие и объяснение мира только на основе естественно-научного метода познания недостаточно, оно требует гуманитарного подхода. С другой стороны, в гуманитарное образование как компоненту общечеловеческой культуры важно включить понятия, представления и методологию естественных наук, показать, зачем нужна гуманитариям физика, утвердить в общественном сознании необходимость естественного образования, включив его в систему современной культуры.

Одна из основных целей пособия — вовлечь читателя в творческий процесс самопознания, показать, что без привлечения науки невозможно понять свое предназначение на Земле, но в то же время еще имеется много непознанных и неподвластных науке явлений. Курс построен таким образом, чтобы изучение его было творческим, формирующим взгляды на мир. Более того, он как нельзя лучше отвечает традициям отечественного образования с его школой фундаментальности и широты подхода к объяснению сути вещей. С другой стороны, вполне естественно, что нельзя объять необъятное и достаточно полно и в равной степени осветить все научные подходы и концепции. Несмотря на определенный отбор материала и попытку построения парадигмы современной естественно-научной картины мира, многие интересные вопросы в предлагаемом учебном пособии не нашли своего развития. В известной мере это было сделано и сознательно: на взгляд автора, вопросов в таком курсе должно быть больше, чем ответов.

Данный курс состоит из двух частей. В первой части дается представление о физических принципах объяснения природы с

позиций современной (в том числе постнеклассической) физики. Следуя терминологии И. Пригожина, это физика необ- 3

холимого, или существующего. Здесь рассмотрены общие фундаментальные принципы движения материальных тел в рамках классической, квантовой и релятивистской механики, взаимосвязь пространства и времени, основы теории относительности, физика Вселенной и современные представления о строении вещества, методы дискретного и вероятностного описания природы, применение синергетических представлений объяснения поведения сложных систем и роль симметрии-асимметрии в различных физических проявлениях. Дана эволюция представлений о природе от механической картины мира через электромагнитную и полевую к современной естественно-научной.

Во второй части рассматриваются вопросы физического понимания принципов биологии, воспроизводства и развития живых систем, физических факторов влияния Космоса на земные процессы, роль внутренних и внешних физических полей в эволюции живых организмов. Эти проблемы относятся к физике возникающего и связаны с проблемами физики живого. В качестве примера использования физических моделей в гуманитарных приложениях рассмотрены синергетические представления самоорганизации в экономике.

Каждая глава заканчивается контрольными вопросами для самопроверки и списком литературы. Приведен список вопросов, которые могут быть использованы для зачета или экзамена, разработаны темы рефератов со ссылкой на необходимую литературу.



11

Весьма полезен для студентов словарь терминов, используемых в современном естествознании.

Пособие написано живым языком, содержит оригинальные примеры, позволяющие глубже понять проблемы современного естествознания. Оно представляет несомненный интерес для студентов-гуманитариев и любознательных читателей.

Методологической целью такого курса является получение студентами представления о целостной картине Мира в рамках естественно-научной и гуманитарной парадигм, понимание ими роли человека в объединении трех взаимосвязанных подсистем его обитания — естественной природной, искусственной (техносферы) и социальной сред.

Курс «Концепции современного естествознания» соответствует Государственному образовательному стандарту и программе для гуманитарных специальностей вузов. Он предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей этих специальностей и полезен читателям, интересующимся проблемами современного естествознания.

Автор признателен рецензентам: чл.-корр. РАН, доктору физ.-мат. наук Л. А. Грибову, академикам РАЕН — доктору физ.-мат. наук В. И. Фистулю и доктору физ.-мат. наук А. Н. Георгобиани, а также доктору физ.-мат. наук К. Н. Быстрову за ценные советы и обсуждение пособия. Автор



12

Часть I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

Alles war gesagt, doch alles beibt zu sagen. (Все было сказано, остается лишь все сказать.) И. Гёте Две вещи наполняют мою душу все новым и растущим восхищением и

благословением по мере того, как задумываешься все глубже и больше: звездное небо надо мной и моральный закон во мне. И. Kaнт

Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ Термин «естествознание» в своем семантическом смысле означает «естество»

(природа) и знание о нем. Иногда используют менее употребительное словосочетание «природоведение», которое происходит от общеславянского слова «веды» или «веда» — знание. Мы и до сих пор иногда говорим «ведать» в смысле знать. Однако в настоящее время под естествознанием, тем более современным, понимается прежде всего точное естествознание, отражающее сформулированные в математическом виде общие закономерности природы, всех процессов, происходящих в микро- и макромире. А природоведение, подобное обществоведению, науковедению или природообустройству, обычно ассоциируется с аморфными представлениями о предмете своего, частного «ведения».

Достаточно давно в русский язык как синоним слова «природа» вошел распространенный в европейских странах (например, в Германии, Швеции и Голландии) латинский термин natura — натура. На его основе образовался соответствующий термин «Naturwissenschaft», т.е. буквально — наука о природе, или естествознание. Он сочетается с другим определением предмета изучения природы — «натурфилософия» (философия природы). 5

Проблемы происхождения, устройства, организации природы, всего, что есть во Вселенной (Космосе), т.е. по существу все проблемы естествознания, космологии и космогонии, первоначально относились к «физике». Во всяком случае, Аристотель (384—322 гг. до н.э.) называл своих предшественников и современников, занимавшихся этими проблемами, «физиками» или «физиологами», ибо древнегреческое слово «физис», или «фюзис», очень близко в русском языке слову «природа».

Современное естествознание затрагивает не только собственно естественно-научные проблемы, но и гуманитарные, потому что в нем рассматриваются научные методы и пути познания человеком природы. Изучение этих путей составляет также предмет философии как науки о мышлении и познании, социологии — как науки о развитии человеческого общества, психологии — как науки о человеческом интеллекте и биологии — как науки о живом. Поэтому естествознание является до известной степени основой всякого знания — и естественно-научного, и технического, и гуманитарного.

В целом же современное естествознание как научная мировоззренческая парадигма опирается на физические представления. Это определяется тем, что, обладая научным методом и формулируя представления о природе на количественном уровне в виде фундаментальных законов и принципов, физика создала базу объяснения реального физического мира. В то же время, отвергнув после Р. Декарта (1596—1650) попытки познать духовную жизнь человека научными методами, физика в дальнейшем стала терять свои позиции, сталкиваясь с теми непознанными и необъясненными явлениями, которые не укладываются в рамки только физических представлений.

В настоящее время мы понимаем, что на фундаментальном уровне природа едина, границы в ней весьма условны и различные науки, изучающие ее, лишь отражают последовательное приближение коллективного разума человечества к истине наших представлений о мире.

Кроме того, как нельзя постичь законы, управляющие жизнью и деятельностью человека, посредством знакомства лишь с анатомией отдельных его органов, так невозможно, изучая порознь отдельные естественные науки, познать природу как одно целое. Поэтому современное естествознание как совокупность многих наук о мире само является обобщенной интегративной целост- 6

Горбачев КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО...

Documents