Концепції сучасного природознавства 2 червня

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Ставропольський державний університет

Концепції сучасного природознавства

Довідник для студентів

Ставрополь

2005

Рецензент: канд. філос. наук, доцент Адріанова Л.А.

Андрейченко Г.В., Павлова І.М.

Концепції сучасного природознавства. Довідник для студентів. - Ставрополь: СГУ, 2005. - 187с.

Навчальний посібник складено відповідно до Державного стандарту вищої професійної освіти другого покоління і рекомендовано студентам гуманітарних спеціальностей вищих навчальних закладів усіх форм навчання. Містить інформацію з усіх екзаменаційних питань і призначене для підготовки студентів до семінарських занять, іспитів і заліків. Може бути використане також при виконанні контрольних робіт з дисципліни «Концепції сучасного природознавства».

Посібник є важливою складовою частиною навчально-методичного комплексу з дисципліни «Концепції сучасного природознавства».

© Г.В. Андрейченко, І.М. Павлова

Зміст

Введення

1. Природничонаукова і гуманітарна культури

2. Предмет і метод природознавства

3. Динаміка природознавства і тенденції його розвитку

4. Історія природознавства

5. Структурні рівні організації матерії

6. Макросвіт: речовина і поле

7. Відкриті системи і некласична термодинаміка

8. Мікросвіт. Квантова фізика

9. Мегасвіт. Сучасні астрофізичні і космологічні концепції

10. Простір і час у сучасній науковій картині світу

11. Основні концепції хімії. Хімічні системи і процеси

12. Проблеми і перспективи сучасної геології

13. Особливості біологічного рівня організації матерії

14. Генетика і еволюція

15. Людина як предмет природознавства

16. Емоції і творчість. Життя як цінність

17. Людина і біосфера

18. Принцип глобального еволюціонізму і його роль в сучасній науці

Введення

Дисципліна "Концепції сучасного природознавства" включена до циклу математичних та природничих дисциплін гуманітарних та економічних факультетів з метою ознайомлення студентів з додатковим для них невід'ємним компонентом єдиної культури - природознавством і формуванням цілісного погляду на навколишній світ. Виникаюча сьогодні тенденція до гармонійного синтезу двох традиційно протистоять культур співзвучна потреби суспільства в цілісній картині світу і підкреслює актуальність пропонованої дисципліни. Дана навчальна дисципліна не є механічне поєднання традиційних курсів фізики, хімія, біології та екології, а є продуктом міждисциплінарного синтезу на основі комплексного історико-філософського, культурологічного та еволюційно-синергетичного підходів до сучасного природознавства. Тому її ефективне освоєння можливе на основі застосування нової парадигми, здатної об'єднати природно - наукову та гуманітарну компоненти культури.

Цілі і завдання курсу:

- Розуміння природи відчуження гуманітарного та природничо - наукового компонентів культури і необхідність їх возз'єднання на основі цілісного погляду на світ;

- Розуміння завдань і можливостей сучасного наукового методу;

- Вивчення і розуміння сутності найбільш фундаментальних законів природи, що становили каркас сучасної фізики, хімії та біології;

- Формування чіткого уявлення про природничо картині світу як основі розуміння цілісності і різноманіття природи;

- Формування уявлень про революції в природознавстві і зміні наукових парадигм як ключових етапах розвитку природознавства;

- Формування уявлення про принципи універсального еволюціонізму та синергетики як діалектичних принципах розвитку в додатку до неживої і живої природи, людини і суспільства.

Тема 1. Природничонаукова і гуманітарна культури

1. Культура і наука. Критерії науки та її соціальні функції

Наука являє собою найважливішу сферу людської культури. Успіхи і досягнення науки докорінно змінили життя суспільства, його економіку, політику, побут, а також самої людини, його спосіб мислення і дії.

Культура - специфічний спосіб організації людської життєдіяльності, представлений у продуктах матеріальної і духовної праці, в системі соціальних норм і закладів, в духовних цінностях, у сукупності відносин людей до природи, між собою і до самих себе.

Необхідною елементом людської діяльності є знання. Наука - це специфічна форма виробництва знань. Проте не всяке знання є науковим. Пізнання як духовне освоєння світу здійснюється в різноманітних формах: мистецтво, наука, релігія, філософія, життєвий досвід та ін Мистецтво відтворює світ за допомогою художніх образів, створює художні цінності і висловлює естетичне ставлення людини до світу. Релігія створює світ трансцендентного знання, спирається на містичний досвід людей, в якому відбувається їх - спілкування з Богом. Філософія формує знання про буття, про місце людини у світі і його власному духовному світі. Наука ж є тією частиною культури, яка освоює дійсність і створює свій особливий світ - світ знань, які складаються з експериментально підтверджених даних і висновків, отриманих логічним шляхом.

Наука - сфера людської діяльності, головною функцією якої є вироблення і теоретична систематизація об'єктивних знань про світ. Критерії науки:

раціональність, тобто обгрунтованість і логічна доказовість знання, його теоретичний характер;

системність знання; система характеризується внутрішньою єдністю складових її елементів. Тому наукове знання це система, що включає в себе принципи, закони, фундаментальні поняття, з яких виводяться нові знання, а також факти, математичний і логічний апарат, практичні висновки та рекомендації;

общезначімость, тобто інтерсуб'єктивність знання, його перевірюваність і можливість одержання однакових результатів різними дослідниками;

наявність двох рівнів - емпіричного і теоретичного, що розрізняються завданнями дослідження, специфікою методів і форм пізнання.

Найважливішою ознакою науки є також те, що це - специфічна форма діяльності та соціальний інститут, тобто спосіб соціальної організації пізнавальної діяльності людей. Сучасна наука представлена ​​сьогодні великими науковими інститутами з потужною лабораторною базою, новітніми технологіями обробки, передачі й поширення інформації.

По предмету вивчення в структурі науки виділяють такі напрями наукового знання, як: природознавство (науки про природу); соціогуманітарного знання, що включає в себе знання про різні види і форми суспільного життя, а також знання про людину та її духовний світ; в окрему групу виділяють науку про саму науці (наукознавство). Це молода, що швидко розвивається наукова дисципліна.

Специфіка науки проявляється також у тих соціальних функціях, які вона виконує. Функції науки: описова - виявлення найважливіших властивостей і відносин, що досліджуються; систематизуюча - внесення певного порядку в організацію знання; пояснювальна - виявлення сутності досліджуваного об'єкта, причин і закономірностей його виникнення та розвитку; прогностична - передбачення нових фактів і рекомендації на майбутнє; практична - застосування отриманих знань у виробництві, в соціальному житті і управлінні; світоглядна - створення наукової картини світу, яка є основою раціоналізованого світогляду.

Наука - це динамічний, поступальний процес, що має певні закономірності: прискорення зростання наукових знань (експонентний закон розвитку науки): обсяг наукових знань подвоюється кожні 10-15 років; кумулятивний характер розвитку - підсумовуються в концентрованому вигляді всі минулі досягнення науки шляхом переосмислення та уточнення; наступність у розвитку знань; єдність екстенсивного та інтенсивного періодів розвитку; диференціація та інтеграція наук; перетворення науки в безпосередню продуктивну силу.

2. Світ природи і світ людини: способи пізнання

Різниця природознавства і соціогуманітарного пізнання зумовлено, по-перше, специфікою об'єкта дослідження.

Світ природи є дією сліпих, стихійних і не залежних від людини сил, процесів, тому в певному сенсі їх дослідити простіше. Пізнання цих процесів за своїм змістом носить об'єктивний характер, для цього формуються методи об'єктивного дослідження предмета.

Світ людини постає як свідома, активна діяльність людини, що переслідує свої цілі та інтереси. У процесі пізнання цих явищ складно відокремити об'єктивне від суб'єктивного, дійсність від ілюзій. Тому будь-які спроби перенесення природничо-наукових методів на дослідження соціальних процесів виявляються безрезультатними.

По-друге, найбільш виразно відмінність виявляється у підході до основного завдання науки.

У пізнанні світу природи головним завданням є пояснення. Пояснення - це підведення факту під певний закон, теорію. Логічною формою пояснення є дедуктивне міркування, в якій факт, тобто висловлювання одиничного або приватного порядку, виводиться з загального судження, яке і висловлює певний закон. Найпопулярнішою у науковому світі вважається теорія дедуктивно - номологическое пояснення Гемпеля - Оппенгейма. Деякий явище вважається поясненим, якщо описує його судження логічно виводиться із законів або законоподібних висловлювань. Поряд з дедуктивно-номологическое широко використовуються структурні, тобто представляють собою характеристики складних об'єктів на основі знання їх будови, і генетичні пояснення, тобто опис подій і явищ в їх історичній послідовності.

Найбільш розвинена форма наукового пояснення - пояснення на основі теоретичних законів. Так, щоб пояснити, чому тіло за першу секунду свого падіння проходить шлях у 4,9 м, ми посилаємося на закон Галілея, який в самій загальній формі описує поведінку різноманітних тіл, що рухаються під впливом сили тяжіння. Якщо потрібно пояснити сам цей закон, ми звертаємося до більш загальної теорії гравітації Ньютона. Отримавши з неї закон Галілея в якості логічного слідства, ми тим самим пояснюємо його. Глибина пояснення визначається глибиною тієї теорії, до якої належить закон. Рівні пояснення можуть бути різними, але вони завжди являють собою дедуктивну процедуру. Історично першими були каузальні (причинні) пояснення - пояснення на основі простих емпіричних законів, що фіксують такі стійкі, повторювані зв'язки між двома явищами, при яких одне породжує, викликає інше.

У соціальних науках важко або неможливо підвести індивідуальне, неповторне подія під який-небудь загальний закон, тому сформувалися дві точки зору: перша - проти використання природничо-наукових методів, замінивши їх телеологічним поясненням, тобто розкриттям цілей, мотивів поведінки та діяльності людей, друга - можна пояснити за допомогою законів, але тільки створивши власну методологію.

У пізнанні світу людини, на думку багатьох дослідників, методи пояснення взагалі не застосовні, тому що специфіка об'єкта обумовлює індивідуальність та унікальність пізнаваних явищ. Тому не пояснення, а розуміння є основним методом соціогуманітарного пізнання.

Розуміння - це спосіб інтерпретації або тлумачення будь-якого факту, тобто виявлення його змісту або надання їй певного сенсу з метою його духовного освоєння і приведення до системи з іншими фактами.

Така методологія гуманітарного пізнання отримала назву герменевтики. Історично герменевтика виникла з досвіду роботи над текстами на стародавніх мовах, що погано збереглися, важко піддавалися перекладу, коли було необхідно перш за все розкрити сенс, який вклав їх автор. Проте потім стало ясно, що герменевтика має відношення не тільки до текстів, але й до розуміння вчинків, переживань і дій людини. Розуміння часто визначають як оцінку на основі деякого зразка або норми. Розуміти можна все, для чого існує такий зразок. Ілюмінація, що передує розумінню та робить його можливим, являє собою процес пошуку стандарту оцінки та обгрунтування її приложимости до розглянутого випадку. Тому тлумачення завжди пов'язане з певними соціокультурними передумовами: тлумачить і розуміє завжди конкретна людина, що розділяє цінності свого середовища і свого часу.

Розуміння завжди має діалогову природу, яка спочатку відрізняється від монологичности пояснення і є особливим типом смислових відносин. Зрозуміти - значить, побачити інше, чуже свідомість і його світ. При поясненні є тільки один суб'єкт, одне свідомість, тому що до об'єкту не може бути діалогічного відношення; при розумінні - дві свідомості, два суб'єкти, тому розуміння завжди диалогично. «Дослідження стає спрашивания і бесідою, тобто діалогом. Природу ми не питаємо, і вона нам не відповідає. Ми ставимо питання собі і певним чином організуємо спостереження або експеримент, щоб отримати відповідь. Вивчаючи людини, ми всюди шукаємо і знаходимо знаки і намагаємося зрозуміти їх значення »(Бахтін М.М.).

На всьому протязі ХХ століття спостерігається протистояння двох сфер пізнання - природно-наукової та гуманітарної. Цю ситуацію чітко зафіксував відомий англійський письменник і вчений Чарльз Сноу, який виступив у 1959 р. у Кембриджському університеті з програмною лекцією «Дві культури і наукова революція». Він показав, як виникла і поглиблюється прірва між двома культурами. Поляризацію наукової культури він пов'язав з двома традиціями, що склалися в процесі пізнання й осмислення світу. Перша - культура, створювана природознавством, яка за складністю, ємності інтелектуальної глибині є дивним творінням колективних зусиль людського розуму. Представники іншого полюса - соціогуманітарної культури не мають, як правило, ні найменшого уявлення про цей витвір. І навпаки.

Наукова культура розуміється як спосіб організації пізнавальної діяльності, обумовлений специфікою пізнаваного об'єкта, що включає в себе світоглядні і методологічні принципи, ідеали та установки, колективні науковим співтовариством. Характер наукової культури багато в чому визначає і способи організації науки та наукової діяльності взагалі, і форми взаємозв'язку науки і суспільства, значно впливаючи на етику науки і вирішення проблеми соціальної, і, перш за все, моральної відповідальності вченого, а також на ставлення науки та ідеології, науки і політики. Тому поляризація культур завдає шкоди всьому: науці, мистецтву, суспільству, людині.

До кінця ХХ століття з'явилися серйозні передумови для подолання цього протистояння: 1) обмін досвідом там, де це можливо, наприклад, статистичні методи, що мають, як відомо, найважливіше значення в сучасній фізиці, зародилися в працях соціологів-економістів У. Петті і Дж. Граунта; 2) міждисциплінарний підхід стає все більш значущим для нинішнього розвитку соціального знання. Йде процес формування єдиної науки про людину, суспільство, природу і життя, 3) диференціація (дроблення) наук веде до того, що зараз налічується близько 2 тис. наукових дисциплін і формування все нових галузей науки триває; 4) інтеграція наук - активна взаємодія різних наук. Об'єднання яких-небудь наук в єдине ціле в різних формах, починаючи від застосування методів і понять однієї науки в інший і закінчуючи сучасним системним методом. У цьому виявляється прагнення до єдності наукового знання. Об'єктивну основу інтеграції знання становить єдність світу, принципова спільність властивостей і законів структурних рівнів матерії. Тому, по-перше, порівняно нові галузі наукового знання вже за своєю природою носять синтетичний, інтегративний характер: астрофізика, математична лінгвістика, інженерна психологія, технічна естетика, космічна медицина та ін По-друге, синтез наукового знання може здійснюватися на основі міждисциплінарного підходу . Прикладом такого синтезу може служити синергетика (теорія самоорганізації складних систем). Виникнувши як фізична теорія (в термодинаміці), вона зараз використовується як новий підхід до вирішення історичних, соціальних проблем. Синергетика може успішно служити моделювання багатьох процесів.

3. Сцієнтизм і антисциентизм - світоглядні позиції ХХ століття та їх вплив на розвиток культури

У різні історичні епохи в якості підстави культури, її провідного духовного компонента, виступали різні духовні форми: в античності - політика і мораль; у середньовіччя - релігія; в епоху Відродження - мистецтво; в новий час - наука; в новітній час - наука і мистецтво .

У Новий час сталася наукова революція, яка породила новий (сучасний) тип науки, і проголосила його єдино адекватним способом пізнання (духовного освоєння) світу. Наукове знання набуває настільки головне значення, що без його розвитку і поширення в суспільстві немислимий ніякий соціальний прогрес. Формується ідея про всесилля наукового знання. Цьому сприяли як досягнення науки, так і філософські погляди французьких просвітителів XVIII століття (Вольтера, Дідро, Гельвеція, Гольбаха, Д ¢ Аламбера).

Сцієнтизм - світоглядна позиція, яка базується на уявленні про науку як вищої культурної цінності, мету і сенс людського існування.

Ідеологічним обгрунтуванням сцієнтизму є позитивізм французького філософа О. Конта (1798-1857), автора знаменитого «Курсу позитивної філософії». Суть його позиції полягає в наступному:

1. Природничо пізнання і його методологія - еталон наукового пізнання, тому методи і форми природознавства повинні бути поширені і на пізнання суспільства. Ідеал науки - математична фізика.

2. Наука повинна заміняти всі інші форми знання. Звідси критика філософії, зведення її до наукової методології, спроби створення нової релігії (релігії науки) і т.п.

3. Орієнтація на емпіричне (дослідне) обгрунтування отриманих результатів. Знання, не засноване на досвіді, оголошується ненауковим, спекулятивним.

4. Роль науки та наукового прогресу у вирішенні глобальних проблем абсолютна і виняткова. Наука - вища цінність і мету суспільного розвитку, тому що всі форми організації людської життєдіяльності повинні бути побудовані за останнім словом науки. Віра у всесилля науки часто веде до утопічним проектам «поліпшення» природи, суспільства і людини, практичне впровадження яких загрожує катастрофічними наслідками.

Особливу переконливість сцієнтизму надають грандіозні успіхи науки, НТП. Світогляд сцієнтизму є підставою технократичних концепцій, згідно з якими влада політична та адміністративна в суспільстві повинна бути віддана представникам природничих і технічних наук. Сцієнтизм наражається на гостру критику з боку так званої "гуманітарної культури», філософським підставою якої виступає філософія ХХ століття: герменевтика, «філософія життя», екзистенціалізм та ін

Сучасна гуманітарна культура має своїм початком творчість гуманістів епохи Відродження. Революція в світогляді цієї епохи, пов'язана зі зміною статусу людини в світі, вела до визнання людини найвищою цінністю. У формуванні гуманістичної культури важливу роль зіграло рух романтизму (кінець XVIII - сер. XIX ст.). Романтизм сприяв відновленню авторитету мистецтва як засобу осягнення світу та самовираження особистості. Він сформулював ідею про відновлення єдності науки, філософії, релігії і мистецтва, що було втрачено з заміною міфологічного мислення раціональним.

Антисциентизм заперечує роль і доводить недостатність раціонального, особливо, природничо-наукового пізнання, яке, у свою чергу, зведено до фізики та математики. Антисциентизм - світоглядна позиція, згідно з якою ідеалом є гуманітарні цінності, етичні та естетичні, перш за все. У своїх крайніх формах антисциентизм тлумачить науку як силу, чужу і ворожу справжньої сутності людини.

Протилежність сцієнтизму і антисцієнтизму, насамперед, виражається у властивих їм системах цінностей:

сцієнтизм віддає пріоритет розрахунку, планом, проектованого результату, тому головні цінності людського існування - максимальна користь, вигода, ефективність і доцільність; максимум прибутку при мінімумі витрат;

антисциентизм виходить із визнання унікальності особистості, тому пріоритетними є питання про сенс людського життя, а головні цінності людського існування - краса, добро, любов, справедливість.

4. Етика науки

Наука як галузь людської діяльності занурена в ціннісний вимір: для вченого найвищою цінністю є істина і все, що до неї веде, різного роду емпіричні та теоретичні методи. У співтоваристві вчених високо цінуються також чесність, порядність, мужність у відстоюванні своїх поглядів, критичне ставлення до догм і всяким авторитетам, забобонів. У той же час у самій науці, в її методологічному арсеналі, немає ніяких моральних норм, що регламентують наукові дослідження в плані соціальних наслідків, що дозволяють порівнювати наукові досягнення зі станом суспільства. Багато вчених усвідомлюють свою відповідальність за можливе використання їх наукових відкриттів, розуміють неприпустимість озброєння лиходіїв засобами масового знищення, маніпулювання свідомістю людей, безконтрольного втручання в їхні справи. На жаль, є чимало сумних прикладів подібного: ядерну, біологічну, хімічну зброю, експерименти з генами тварин і людей, тотальний комп'ютерний контроль у суспільстві та ін

В останні роки все більше вчених схиляється до думки про те, що неправильно вважати науку лише засобом добування істини. Наполегливо підкреслювали цю думку Н. Бор і В. Гейзенберг. Вчені беруть на себе відповідальність, якщо не повністю, то, принаймні, в істотному ступені, за свої творіння. Вони стають етиками, тому що відповідальність - це етична категорія. Перш ніж створити що-небудь, що може загрожувати людині, слід продумати всі можливі варіанти. А, прийнявши рішення, не слід йти від відповідальності. Сучасний вчений повинен зрозуміти, що істина - це добро і краса.

В етиці науки представлені моральні основи наукової діяльності. Основними етичними нормами науки є, як ми з'ясували, безкорисливий пошук і затвердження істини, збагачення науки новими результатами, корисними для людства, свобода наукової творчості, соціальна відповідальність вченого і ін Дотримання етики науки має призвести до утвердження морального ідеалу гуманізму. Обгрунтування цього ідеалу міститься в концепції так званого еволюційного гуманізму, одним із засновників якого є Дж. Хакслі - англійський філософ і зоолог. Суть його теорії полягає в наступному:

Людина сама несе відповідальність за своє майбутнє і за майбутнє планети, не покладаючи її ні на Бога, ні на долю.

Людина є одним видом існуючої на Землі життя. Тому людство не можна перетворювати на сукупність ворогуючих «псевдовідов» (націй, релігій і держав і їх блоків).

Сенсом існування науки є втілення людських надій, а не матеріальне благополуччя.

Завдання науки підвищувати «якість» життя, а не збільшувати кількість матеріальних цінностей для окремих соціальних груп.

Для реалізації цих ідей і принципів необхідно нове мислення, яке і покликана формувати наука.

Нове розуміння природи стимулювало пошук і нових ідеалів людського ставлення до природи, які претендують на те, щоб стати духовним підгрунтям для вирішення сучасних глобальних проблем. Активно розробляються ідеї так званої «поглибленої екології», яка пориває з антропоцентризмом і розглядає людину не як володаря природи і центр світобудови, а як істота, включене в різноманіття життя. Людина - невід'ємна частина живого, що співвідносяться з іншими його частинами не на основі конкуренції і панування, а на основі співробітництва і взаємності (Е. Ласло, Ф. Капра, Б. Каллікотт, О. Леопольд та ін.)

З цих позицій пропонуються різні варіанти нової етики, яка повинна, поряд з нормами суспільної поведінки, які регулюють відносини між людьми, включати «етику в екологічному сенсі» (биосферную етику), що обмежує свободу дії людини в її боротьбі за існування. Нова етика, за задумом її прихильників (О. Леопольд, Р. Атфілда, Л. Уайт, Е. Ласло, Б. Каллікотт та ін), повинна регулювати взаємини людини з Землею, з тваринами і рослинами, формуючи переконання в індивідуальній відповідальності за здоров'я Землі. Ці етичні концепції багато в чому перегукуються з відомими ідеями А. Швейцера про благоговіння перед життям. Але в принципі вони йдуть далі. Як пише Б. Калікотт, «особисто я не особливо захоплююся моральної теорією Швейцера - головним чином з тієї причини, що вона обмежує коло морально значимих об'єктів індивідуальними сутностями, не беручи до уваги об'єкти колективної природи: популяції, види, біоценози і всю глобальну екосистему в цілому ».

Основні поняття теми:

Наука - сфера людської діяльності, головною функцією якої є вироблення і теоретична систематизація об'єктивних знань про світ.

Наукова культура - світоглядні та методологічні принципи, ідеали та установки, колективні науковим співтовариством.

Пояснення - це підведення факту під певний закон, теорію.

Розуміння - це спосіб інтерпретації або тлумачення будь-якого факту, тобто виявлення його змісту або надання їй певного сенсу.

Цінність - те, що має особливу значущість для людини і суспільства.

Ідеал - уявлення про належне, скоєному.

Сцієнтизм - світоглядна позиція, яка базується на уявленні про науку як вищої культурної цінності, мету і сенс людського існування.

Антисциентизм - світоглядна позиція, яка заперечує пріоритет науки в розвитку суспільства, і згідно з якою ідеалом людського існування є гуманітарні цінності.

Позитивізм - філософський напрямок, за яким все справжнє знання може бути отримане лише як результат спеціальних, передусім природних наук, і філософія, як особлива наука, не має права на існування.

Етика науки - розділ професійної етики, який розробляє моральні принципи наукової діяльності.

Тема 2. Предмет і метод природознавства

1. Предмет природознавства. Еволюція поняття природи

Предметом природознавства є природа. Природа - це весь матеріально-енергетичний та інформаційний світ Всесвіту. Витоки сучасного розуміння природи йдуть у глибоку старовину. Перші тлумачення природи склалися як міф про виникнення (народженні) світу і його розвитку, тобто космогонія. Внутрішній сенс цих сказань висловлює перехід від неорганізованого хаосу до впорядкованого космосу. Світ у космогонія народжується з природних стихій: вогню, води, землі, повітря; до них іноді додається п'ята стихія - ефір. Все це первинний матеріал для будівництва космосу. Стихії з'єднуються і роз'єднуються.

Образ природи народжується і в міфах, і в різних космогонія, і в теогонія (буквально: «народження богів»). У міфі завжди відображена певна реальність, в ньому образно, у вигляді фантастичних оповідань виражено прагнення до пізнання явищ природи, суспільних відносин і людської натури.

Пізніше виникла натурфілософія (філософія природи), яка, незважаючи на схожість космогонічних образів, принципово відрізнялася від міфології.

У міфології наочно, у символічній формі природа зображується як якийсь простір, всередині якого розгортається діяльність божественних і космічних сил. Натурфілософія намагалася виразити загальний погляд на природу в цілому і підкріпити його доказами.

В античній філософії природа стала об'єктом теоретичного роздуми. Натурфілософія намагалася виробити єдиний, внутрішньо несуперечливий погляд на природу. Осягаючи феномен природи, натурфілософія намагається зрозуміти її зсередини, з неї самої, тобто виявити такі закони існування природи, які не залежать від людини. Іншими словами, поступово формувався такий образ природи, який по можливості очищався від суто людських уявлень, які найчастіше уподібнювали природу самої людини, і тому могли спотворити справжню, самостійне життя природи. Таким чином, завдання полягало в пізнанні того, яка природа сама по собі, без людини.

Вже перші філософи розглядали такі важливі проблеми, які послужили основою для подальшого розвитку наукового пізнання. До них відносяться такі як: матерія та її структура; атомистика - вчення про те, що світ складається з атомів, найдрібніших неподільних частинок речовини (Левкіпп, Демокріт); гармонія (математична) Всесвіту; співвідношення речовини та сили; співвідношення органічного та неорганічного.

В Аристотеля, видатного філософа Стародавньої Греції (IV ст. До н. Е..), Осмислення природи отримало вже статус цілісного вчення. Він ототожнював натурфілософію з фізикою, вивчав питання про склад фізичних тіл, видах руху, причинності та ін Аристотель визначав природу як живий організм, який рухається самоціллю і робить усе різноманіття входять в неї об'єктів, тому що в нього є душа, внутрішня сила - ентелехія. Рух Аристотель не зводив тільки до переміщення в просторі, а розглядав і такі форми, як виникнення і знищення, якісні зміни.

В епоху еллінізму натурфілософія стала спиратися не тільки на філософські міркування, але і на великі спостереження в астрономії, біології, географії, фізики. У цю епоху з'являється сам термін «натурфілософія», який ввів римський філософ Сенека. Оскільки в античній філософії вважалося, що філософія повинна підніматися над повсякденністю, буденністю, остільки це прирікало натурфілософію на умоглядність, в ній стали панувати придумані схеми і теорії.

У середньовічній культурі вважалося, що природа говорить з людьми на символічній мові божественної волі, тому що природа і людина - це творіння Бога. Але в послідувала за середньовіччям епоху відродження цей погляд істотно змінився. Натурфілософія розійшлася по двох напрямах: 1 - містика продовжувала традицію умоглядних концепцій природи; 2 - «магія», з якої поступово і сформувалася досвідчена наука - природознавство. Переходу від релігійної картини світу до природничо сприяло виникнення особливого погляду на світ, що отримав назву «пантеїзму» («всебожіе»). Пантеїзм - вчення про те, що все є бог; ототожнення бога і всесвіту. Це вчення обожнює всесвіт, створює культ природи, визнає нескінченність всесвіту і незліченна безліч її світів.

Особливу роль у створенні способів наукового, експериментального вивчення природи зіграв Г. Галілей, який стверджував, що книга природи написана трикутниками, квадратами, колами і т.п.

З формуванням науки і методів природознавства, в 17-18 ст. натурфілософія істотно змінилася. І. Ньютон, творець механічної картини світу, розумів під натурфілософією теоретичне, математично вибудуване вчення про природу, «точну науку про природу». У цій картині світу природа ототожнювалася з годинниковим механізмом.

Відмова від божественного і поетичного розуміння природи вів до зміни ставлення до природи. Вона стає об'єктом активної експлуатації - інтелектуальної і промислової. Природа - це майстерня. Фр. Бекон називає вченого натуралістом, який експериментом вириває у природи її таємниці. Найважливіше завдання науки - у підкоренні природи і збільшенні могутності людини: «Знання - сила!»

Таким чином, природа виступає як узагальнене поняття, часом ототожнюється з безмежним космосом. У той же час процес розвитку природознавства і пов'язана з цим процесом спеціалізація у науці призвела до того, що природа перестала існувати як ціле для фахівців, вона виявилася роздробленою. Підкорення природи, створення машинної культури руйнує цілісність самої природи, а також внутрішні зв'язки людини з природою, що й приводить його до екологічної катастрофи. Необхідність такої організації взаємодії суспільства і природи, яка відповідала б потребам майбутніх поколінь і вирішувала б проблему виживання людства, передбачає не тільки формування так званої екологічної етики, але й переосмислення самого поняття «природа», в яку повинен бути «вписаний» людина. Є незаперечні докази, що визначають «людське обличчя» природи:

-Природа така, що має можливість і необхідністю породження людини. Всі фізичні константи, що характеризують фундаментальні структури світу, такі, що тільки за них міг би існувати людина. За відсутності людини нікому було б пізнавати природу.

-Людина народжується «з природи». Згадаймо розвиток людського ембріона.

-Природна основа людини є той фундамент, на якому тільки й можлива поява специфічно людського буття, свідомості, діяльності, культури.

Таким чином, сучасне розуміння природи як предмета природознавства передбачає вироблення нових способів її дослідження, формування інтеграційних підходів і міждисциплінарних зв'язків. Тому принципово нові ідеї сучасної наукової картини світу вже не вписуються в традиційне для техногенного підходу розуміння природи як «мертвого механізму», з яким можна експериментувати і який можна освоювати по частинах, перетворюючи і підпорядковуючи його людині.

Природа починає розумітися як цілісний живий організм. Майже до середини ХХ століття таке розуміння природи сприймалося як своєрідний пережиток або повернення до міфологічного свідомості. Однак у міру того, як затверджувалися в науці і широко поширювалися ідеї В. І. Вернадського про біосферу, після розвитку сучасної екології, нове розуміння природи як організму, а не механічною системи, стало науковим принципом. Нове розуміння природи стимулювало пошук нових ідеалів відносини людини до природи, які стали б підставою для вирішення сучасних глобальних проблем.

2. Науковий метод. Класифікація методів природничо-наукового пізнання

Для наукового пізнання велике значення має метод, тобто спосіб організації вивчення об'єкта. Метод - сукупність принципів, правил і прийомів практичної та теоретичної діяльності. Метод озброює людини системою принципів, вимог, правил, керуючись якими людина може досягти наміченої мети.

Правильний метод має величезне значення для пізнання природи. Вчення про метод (методологія) починає розвиватися в науці нового часу. Знаменитий англійський філософ Френсіс Бекон порівнював метод з ліхтарем, який висвітлює подорожньому дорогу. Вчений, не озброєний правильним методом, - це подорожній, що бреде в темряві й навпомацки відшукувати собі дорогу. Рене Декарт, великий французький філософ XVII століття, теж надавав великого значення розробці наукового методу: «Під методом я розумію точні і прості правила, суворе дотримання яких без зайвої витрати розумових сил, але поступово і безперервно збільшуючи знання, сприяє тому, що розум досягає істинного знання всього, що йому доступно ». Саме в цей період бурхливого розвитку природознавства складаються дві протилежні методологічні концепції: емпіризм і раціоналізм.

Емпіризм - напрям у методології, що визнає досвід джерелом достовірного знання, що зводить зміст знання до опису цього досвіду.

Раціоналізм - напрямок у методології, згідно з яким достовірне знання дає тільки розум, логічне мислення.

Методи наукового пізнання можна класифікувати за ступенем спільності на універсальні (філософські) та наукові, які в свою чергу, діляться на загальнонаукові та частнонаучние.

Частнонаучние методи застосовуються у межах однієї науки або галузі наукового дослідження, наприклад: метод спектрального аналізу, метод кольорових реакцій в хімії, методи електромагнетизму у фізиці та ін

Загальнонаукові методи мають широкий міждисциплінарний спектр застосування і можуть застосовуватися в будь-якій науці, наприклад: моделювання, експеримент, логічні методи та ін

Однією з найважливіших особливостей наукового пізнання є наявність двох рівнів: емпіричного і теоретичного, які відрізняються використовуваними методами. На емпіричної (дослідної) стадії використовуються головним чином методи, пов'язані з чуттєво-наочними прийомами пізнання, до яких відносять спостереження, вимірювання, експеримент.

Спостереження є первинним джерелом інформації і пов'язане з описом об'єкта пізнання. Цілеспрямованість, планомірність, активність - характерні вимоги для наукового спостереження. За способом проведення спостереження бувають безпосередніми і опосередкованими. При безпосередніх спостереженнях властивості об'єкта сприймаються органами чуття людини. Такі спостереження завжди відігравали велику роль у дослідженні науки. Так, наприклад, спостереження положення планет і зірок на небі, що проводилися понад двадцять років Тихо Браге з незвичайною для неозброєного ока точністю, сприяли відкриттю Кеплером його знаменитих законів. Однак найчастіше наукове спостереження буває опосередкованим, тобто проводиться за допомогою технічних засобів. Винахід Галілеєм в 1608 році оптичного телескопа розширило можливості астрономічних спостережень, а створення в ХХ столітті рентгенівських телескопів і виведення їх у космос на борту орбітальної станції дозволило проводити спостереження за такими космічними об'єктами, як квазари, пульсари, які неможливо було б спостерігати ніяким іншим способом.

Розвиток сучасного природознавства пов'язано з підвищенням ролі так званих непрямих спостережень. Так, наприклад, об'єкти, що вивчаються ядерною фізикою, не можуть спостерігатися ні безпосередньо, з допомогою органів почуттів людини, ні опосередковано, за допомогою найдосконаліших приладів. Те, що вчені спостерігають у процесі емпіричних досліджень в атомній фізиці, - це не самі мікрооб'єкти, а тільки результати їх впливу на певні технічні засоби. Наприклад, реєстрацію взаємодій елементарних частинок фіксують тільки побічно за допомогою лічильників (газозарядних, напівпровідникових і т.п.) або трекових приладів (камера Вільсона, бульбашкова камера тощо) Розшифровуючи «картинки» взаємодій, дослідники отримують відомості про частки та їх властивості.

Експеримент - більш складний метод емпіричного пізнання, він передбачає активне, цілеспрямоване і суворо контрольоване вплив дослідника на об'єкт, що вивчається для виявлення його певних сторін і властивостей. Переваги експерименту: по-перше, дозволяє вивчати об'єкт у «чистому вигляді», тобто усувати всякі побічні фактори, що ускладнюють дослідження. По-друге, дозволяє вивчати об'єкт в деяких штучних, наприклад, екстремальних, умовах, коли вдається виявити дивовижні властивості об'єктів, тим самим глибше розуміти їх сутність. Дуже цікавими і перспективними в цьому плані є космічні експерименти, що дозволяють вивчати об'єкти в таких особливих умовах, як невагомість, глибокий вакуум, які недосяжні в земних лабораторіях. По-третє, вивчаючи будь-який процес, експериментатор може втручатися в нього, активно впливати на його перебіг. По-четверте, багаторазовість, повторюваність експерименту, який може бути повторений стільки разів, скільки необхідно для отримання достовірних результатів.

Залежно від характеру завдань експерименти поділяються на дослідницькі та перевірочні. Дослідницькі експерименти дозволяють робити відкриття, виявляти в об'єкта нові, раніше невідомі властивості. Так, наприклад, експерименти в лабораторії Е. Резерфорда показали дивну поведінку альфа-частинок при бомбардуванні ними золотої фольги: більшість частинок проходило крізь фольгу, невелика кількість часток відхилялося і розсіювалося, а деякі частинки не просто відхилялися, а відскакували назад, як м'яч від сітки . Така картина, згідно з проведеними розрахунками, виходила з-за того, що вся маса атома зосереджена в ядрі, що займає незначну частину об'єму атома, і відскакували назад альфа-частинки, соударяются з ядром. Так дослідний експеримент Резерфорда привів до виявлення ядра атома, і тим самим до народження ядерної фізики.

Перевірочні експерименти служать підтвердження деяких теоретичних побудов. Наприклад, існування цілого ряду елементарних частинок (позитрон, нейтрино і ін) було спочатку передбачено теоретично.

Вимірювання - процес, що складається у визначенні кількісних значень властивостей або сторін досліджуваного об'єкта за допомогою спеціальних технічних пристроїв. Результат вимірювання виходить у вигляді деякого числа одиниць виміру. Одиниця виміру - це еталон, з яким порівнюється вимірюваний об'єкт. Одиниці виміру поділяються на основні, використовувані в якості базисних при побудові системи одиниць, і похідні, що виводяться з базисних за допомогою деяких математичних співвідношень. Методика побудови системи одиниць була вперше запропонована в 1832 р. Карлом Гауссом. У запропонованій системі в основу покладено три довільні одиниці: довжини (міліметр), маси (міліграмів), часу (секунда). Всі інші одиниці можна було отримати з цих трьох. У подальшому з розвитком науки і техніки з'явилися і інші системи одиниць фізичних величин, побудованих за принципом Гаусса. Крім того, у фізиці з'явилися так звані природні системи одиниць, в яких основні одиниці визначалися із законів природи. Прикладом служить система одиниць, запропонована Максом Планком, в основу якої було покладено «світові постійні»: швидкість світла у вакуумі, постійна тяжіння, постійна Больцмана і постійна Планка. Виходячи з них (і прирівнявши їх до «1»), Планк отримав ряд похідних одиниць: довжини, маси, часу, температури. В даний час в природознавстві діє переважно Міжнародна система одиниць (СІ), прийнята в 1960 році Генеральною конференцією з метрам та ваг. Дана система є найбільш досконалою і універсальної з усіх, що існували до цього часу і охоплює фізичні величини механіки, термодинаміки, електродинаміки і оптики, які пов'язані між собою фізичними законами.

На теоретичної стадії вдаються до абстракцій і утворення понять, будують гіпотези і теорії, відкривають закони науки. До числа загальнонаукових теоретичних методів відносять порівняння, абстрагування, ідеалізацію, аналіз, синтез, дедукцію, індукцію, аналогію, узагальнення, сходження від абстрактного до конкретного. Головна їхня особливість у тому, що це логічні прийоми, тобто операції з думками, знаннями.

Порівняння - уявна операція виявлення подібності та відмінності досліджуваних предметів. Окремим випадком порівняння є аналогія: висновок про наявність тієї чи іншої ознаки в досліджуваного об'єкта робиться на основі виявлення у нього цілого ряду подібних ознак з іншим об'єктом.

Абстрагування - мислене виділення ознак предмета і розгляд їх окремо від самого предмета та інших його ознак. Ідеалізація - уявне конструювання ситуації (об'єкта, явища), якій приписують властивості або відносини у «граничному» випадку. Результатом такого конструювання є ідеалізовані об'єкти, такі як: точка, матеріальна точка, абсолютно чорне тіло, абсолютно тверде тіло, ідеальний газ, нестисливої ​​рідина та ін Завдяки ідеалізації процеси розглядаються в «чистому вигляді», що дозволяє виявити закони, за якими ці процеси протікають. Наприклад: припустимо, що хтось йде по доріжці з багажної візком і раптово перестає її штовхати. Візок буде рухатися ще деякий час, пройшовши невелику відстань, а потім зупиниться. Можна придумати безліч способів подовження шляху, прохідного візком після штовхання. Проте усунути всі зовнішні впливи на довжину шляху неможливо. Але, розглядаючи рух тіла в «граничному» випадку, ми можемо укласти, що якщо зовсім усунути зовнішні впливи на рухоме тіло, то воно буде рухатися нескінченно і при цьому рівномірно і прямолінійно. Такий висновок був зроблений Галілеєм і отримав назву «принцип інерції», а найбільш чітко сформульований Ньютоном у вигляді закону інерції.

З ідеалізацією пов'язаний такий специфічний метод як уявний експеримент, який передбачає оперування ідеалізованим об'єктом, що заміщає в абстракції об'єкт реальний.

Аналіз - метод дослідження, що складається в поділі цілого на частини, з метою їх самостійного вивчення.

Синтез - з'єднання раніше виділених частин у ціле з метою виявлення їх взаємозв'язку і взаємодії. Зв'язок аналізу і синтезу випливає із самої природи об'єктів, що становлять єдність цілого і його частин. Аналіз і синтез обумовлюють один одного.

Індукція - логічний метод, заснований на русі думки від одиничного або часткового до загального. У індуктивному умовиводі істинність посилок (фактів) не гарантує істинності виведеного висновків, воно буде лише імовірнісним. Метод наукової індукції заснований на з'ясуванні причинного (каузальної) зв'язку досліджуваних явищ. Каузальність - таке внутрішнє відношення між двома явищами, коли одне з них породжує, викликає інше. Це відношення містить: явище, яке претендує на те, щоб бути причиною; явище, якого ми приписуємо характер дії (слідства), і обставини, в яких відбувається взаємодія причини і дії.

Для причинного зв'язку характерно:

• причина постійно передує своєю дією в часі, це значить, що причину цього явища слід шукати серед обставин, що передують йому в часі, враховуючи факт деякого співіснування в часі причини і наслідки.

• Причина породжує дію, обумовлює його поява, це значить, що одного передування в часі недостатньо для каузальною зв'язку, привід - умова, що передує виникненню явища, але не породжує його.

• Зв'язок причини і наслідки необхідна; це означає, що можна довести відсутність причинного зв'язку в разі, коли дія наступає, а передбачуваної причини не спостерігалося.

• Зв'язок причини і дії всеобща, це значить, що кожне явище має причину, тому, як правило, наявність причинного зв'язку не можна встановити на підставі одиничного явища, необхідно вивчення певної множини явищ, в рамках якого систематично виявляється шукана причинний зв'язок.

• Зі зміною інтенсивності причини змінюється і інтенсивність дії. Це спостерігається тоді, коли причина і наслідок певний час співіснують.

На цих властивостях засновані методи відкриття причинних зв'язків, розроблені Ф. Беконом (1561 - 1626), а потім вдосконалені англійським філософом, логіком, економістом Джоном Стюартом Міллем (1806-1873). Ці методи отримали назву методів наукової індукції. Усього їх п'ять:

1. Метод єдиної подібності: якщо якесь обставина постійно передує настанню досліджуваного явища в той час, як інші обставини змінюються, то ця умова, ймовірно, і є причина цього явища.

2. Метод єдиної відмінності: якщо якась умова має місце, коли настає досліджуване явище, і відсутня, коли цього явища немає, а всі інші умови залишаються незмінними, то, ймовірно, дана умова являє собою причину досліджуваного явища.

3. Сполучений метод подібності та відмінності: якщо два і більше число випадків, коли настає дане явище, подібні тільки в одному умови, в той час як два або більше випадків, коли дане явище відсутня, відрізняються від перших тільки тим, що відсутня цю умову, то це умова, ймовірно, і є причина спостережуваного явища.

4. Метод супутніх змін: якщо зі зміною умов в тій же мірі змінюється деякий явище, а інші обставини залишаються незмінними, то, ймовірно, ця умова є причиною спостережуваного явища.

5. Метод залишків: якщо складні умови виробляють складна дія і відомо, що частина умов викликає певну частину цієї дії, то залишається частина умов викликає залишається частина дії.

Дедукція - це рух думки від загальних положень до приватних чи одиничним. Дедукція - загальнонаукових метод, але особливо велике значення дедуктивний метод має в математиці. У науці Нового часу розробляв і пропагував дедуктивно-аксіоматичний метод пізнання видатний філософ і математик Р. Декарт. Його методологія була прямою протилежністю емпіричному індуктівізм Бекона.

Із загального положення, що всі метали мають електропровідністю, можна зробити висновок про електропровідності конкретної мідного дроту, знаючи, що мідь - метал. Якщо вихідні загальні положення є істинними, то дедукція завжди буде давати істинний висновок.

Найбільш поширеним видом дедукції є простий категоричний силогізм, у якому встановлюється відношення між двома крайніми термінами S і P на підставі їх відношення до середнього терміну M. Наприклад:

Усі метали (M) проводять електричний струм (P).

Важливе місце в теорії дедуктивних міркувань займає також умовно- категоричне умовивід.

Підтверджує модус (modus ponens):

Якщо у людини підвищена температура (a), він хворий (b). У цієї людини підвищена температура (a). Значить, він хворий (b).

Як видно, думка тут рухається від ствердження підстави до затвердження слідства: (a -> b, a) -> b.

Заперечує модус (modus tollens):

Якщо у людини підвищена температура (a), він хворий (b). Ця людина не хворий (не-b). Значить, у нього немає підвищеної температури (не-a).

Як видно, тут думка рухається від заперечення слідства до заперечення підстави: (a -> b, не-b) -> не-a.

Дедуктивна логіка грає найважливішу роль в обгрунтуванні наукового знання, доказі теоретичних положень.

Аналогія і моделювання. Обидва ці методу засновані на виявленні подібності в предметах чи відносини між предметами. Модель - штучно створене людиною пристрій, який в певному відношенні відтворює реально існуючі предмети, що є об'єктом наукового дослідження. Моделювання засноване на абстрагуванні подібних ознак у різних предметів і встановлення між певного співвідношення між ними. За допомогою моделювання можна вивчати такі властивості і відносини досліджуваних явищ, які можуть бути недоступні безпосередньому вивченню.

У добре відомій планетарної моделі атома його будова уподібнюється будові Сонячної системи. Навколо масивного ядра на різній відстані від нього рухаються по замкнутих траєкторіях легкі електрони, подібно до того, як навколо сонця звертаються планети. У цій аналогії встановлюється, як і зазвичай, схожість, але не самих предметів, а відносин між ними. Атомне ядро не схоже на Сонце, а електрони - на планети. Але відношення між ядром і електронами багато в чому подібно відношенню між Сонцем і планетами.

Аналогія між живими організмами та технічними пристроями лежить в основі біоніки. Цей напрямок кібернетики вивчає структури і життєдіяльність організмів; відкриті закономірності і виявлені властивості використовуються потім для вирішення інженерних завдань і побудови технічних систем, що наближаються за своїми характеристиками до живих систем.

Таким чином, аналогія не тільки дозволяє пояснити багато явищ і зробити несподівані й важливі відкриття, вона призводить навіть до створення нових наукових напрямів або корінного перетворення старих.

Види моделювання.

Уявне (ідеальне) моделювання - побудова різних уявних уявлень у формі уявних моделей. Наприклад, в ідеальній моделі електромагнітного поля, створеної Максвеллом, силові лінії представлялися у вигляді трубок різного перерізу, по яких тече уявна рідина, що не володіє інерцією і стискальністю.

Фізичне моделювання - відтворення в моделі процесів, властивих оригіналу, на основі їх фізичної подібності. Воно широко використовується для розробки та експериментального вивчення різних споруд (гребель електростанцій тощо), машин (аеродинамічні якості літаків, наприклад, досліджуються на їх моделях, обдуваються повітряним потоком в аеродинамічній трубі), для вивчення ефективних і безпечних способів ведення гірських робіт і т.д.

Символічне (знакова) моделювання пов'язане з поданням в якості моделей різноманітних схем, графіків, креслень, формул. Особливою різновидом символічного моделювання є математичне моделювання. Символічна мова математики дозволяє висловлювати властивості, сторони, відносини об'єктів самої різної природи. Взаємозв'язки між різними величинами, що описують функціонування досліджуваного об'єкта, виражається відповідними рівняннями.

Чисельне моделювання на ЕОМ грунтується на математичній моделі досліджуваного об'єкта і застосовується у випадках великих обсягів обчислень, необхідних для дослідження даної моделі, для чого створюється спеціальна програма. У цьому випадку в якості моделі виступає алгоритм (програма для ЕОМ) функціонування досліджуваного об'єкта.

3. Форми наукового знання

Освоюючи дійсність найрізноманітнішими методами, наукове пізнання проходить різні етапи. Кожному з них відповідає певна форма знань. Основними з них є факт, теорія, проблема (задача), гіпотеза, програма.

Факт. У звичайному сенсі слова «факт» (від лат. Factum - зроблене, що вчинилося) є синонімом слова «істина», «подія», «результат». Як логічна форма факт - судження про одиничний. Наприклад, «Земля обертається навколо Сонця», «Вода при 100 ° С перетворюється на пару».

Велику роль у виробленні та накопиченні фактів у природознавстві завжди грали спостереження та експерименти. Можна стверджувати, що наука починається з фактів. Кожна наукова дисципліна проходить тривалий період їх накопичення. Для природничих наук він охоплює Х V-Х VII століття, значну роль у формуванні фактичної бази природознавства відіграли великі географічні відкриття.

Теорія є логічно організованою системою наукових знань, яка дає цілісне і всебічний опис об'єкта.

Структура наукової теорії:

вихідний емпіричний базис - факти спостережень і дані експериментів;

вихідний теоретичний базис - аксіоми, постулати, допущення, закони і т.д.

логічний апарат - правила виводу і докази;

сукупність виведених наслідків з їх доказами.

Функції теорії: 1) пояснювальна; 2) систематизуюча; 3) Передбачувальна; 4) методологічна.

1) Пояснити факт - значить, підвести його під емпіричний або теоретичний закон, якщо теорія носить завершеного характеру. Підпорядкування факту теорії носить дедуктивний характер і приймає форму силогізму.

2) В процесі систематизації факт (в результаті пояснення) включається в більш широкий контекст знань, тим самим відбувається встановлення зв'язків факту з іншими фактами і, таким чином, факти набувають певну цілісність.

3) Передбачення реалізується в здатності теорії до далеких і точним прогнозам. Передбачувальна міць теорії залежить головним чином від двох факторів: по-перше, від глибини і повноти пізнання суті явищ, по-друге, теоретичне передбачення перебуває у зворотній залежності від складності і нестабільності досліджуваного процесу, і чим складніше і нестійкіший цей процес, тим ризикованіше прогноз . До найпростіших системам зараховують, як відомо, системи, що вивчаються небесної механікою. Навіть прості первинні узагальнення астрономічних спостережень, зроблені давніми китайцями більше 2000 років до н. е.., дозволили їм з великою точністю передбачати сонячні затемнення. Геоцентрична система Птолемея була більш потужною у своїх прогнозах і дозволяла передбачати також розташування планет на небосхилі, моменти рівнодення і ін Користуючись нею, прокладали шляхи своїх каравел Колумб, Васко да Гама, Амеріго Веспуччі. Однак вона була безпорадною в багатьох прогнозах, зокрема, при визначеннях тривалості року, і, врешті-решт, привела до створення геліоцентричної системи Коперника, де багато труднощів тодішньої астрономії були подолані.

4) Методологічна функція означає, що теорія виступає в якості опори та засоби подальшого дослідження. Найбільш ефективний науковий метод є істинна теорія, спрямована на практичне застосування, на вирішення певної множини завдань і проблем. Квантова теорія, наприклад, - не тільки пояснення процесів атомного масштабу, а й дієвий метод подальшого пізнання мікросвіту.

Завдання і проблема. Під науковою задачею розуміють вирішуване наукою питання, що має достатньо коштів для свого вирішення. Якщо ж їх недостатньо, то він називається науковою проблемою. У структурі завдання або проблеми виділяються: 1) невідоме (шукане), 2) відоме (умова чи передумови завдання або проблеми).

Отже, проблема - це такий наукове питання, на яке не можна відповісти, користуючись наявними знанням і засобами. Усвідомлення такої ситуації, коли неможливо старими засобами вирішити це завдання, означає наявність проблемної ситуації. Вона характеризується:

1) фіксацією існуючого пробілу в наявному знанні, протиріччя між знанням і незнанням, відомим і невідомим, усвідомленням неможливості наявними засобами пояснити якісь факти;

2) усвідомленням матеріалу і засобів, наявних у розпорядженні дослідника для досягнення поставленої мети. Лише на певному щаблі розвитку суспільства приходить час для постановки тих чи інших проблем. Кожна проблема - це дитя свого часу.

Суперечності між теорією і фактами - головне джерело проблем і завдань в науці. Наявність цієї суперечності і є проблемна ситуація. Проблема з'являється в результаті усвідомлення потреби у вирішенні суперечності. Конкретний аналіз проблемних ситуацій показує, що далеко не кожна проблема відразу ж набуває характеру питання. Не всяке дослідження починається з висунення проблеми і кінчається її рішенням. Нерідко буває так, що проблема формулюється одночасно з її рішенням. Іноді буває навіть, що вона усвідомлюється повністю тільки через деякий час після рішення. Часто пошук проблеми сам виростає в окрему проблему, вирішення якої вимагає особливого таланту. «Велика проблема, - писав Ф. Ніцше, - подібна до дорогоцінного каменю: тисячі проходять повз, поки, нарешті, один не підніме його».

Складність процесу дозрівання і розкриття проблем добре відчувають самі вчені, постійно стикаються з найрізноманітнішими проблемами. Альберт Ейнштейн говорив про те, що сформулювати проблему часто важливіше і важче, ніж вирішити її.

Таким чином, у зміст проблеми входить знання про те, чого можна досягти при наявних передумовах. У цьому сенсі проблема є спосіб організації наукового дослідження. Вона орієнтує дослідження в певному напрямку і вказує на всі можливі відомі засоби, які необхідно застосувати для отримання нового знання. Оскільки між знанням і незнанням існує певний зв'язок, наукова проблема в процесі дослідження переростає в гіпотезу.

Гіпотеза. У первинному значенні термін «hypothese» означав недоведене твердження, прийнятий з метою докази. Звідси легко робився висновок, що гіпотеза випереджає всяке доказ, і значить, гіпотеза є створення розуму, наданий самому собі. Тому знання, яке претендує на об'єктивність, слід уникати гіпотез. «Гіпотез не вигадую!» - Цими словами Ньютона можна виразити негативне ставлення до гіпотези як джерелу помилок, яке склалося в бурхливо розвивається природознавстві Нового часу. Вчені XVI - XVIII ст., Тим не менш, користуються гіпотезами, висувають їх, тим самим, доводячи, що наукове пізнання неможливе без гіпотез. Дідро, Прістлі, Ломоносов - першими зробили рішучий крок по шляху визнання ролі гіпотез в науковому дослідженні. Теорія і експеримент пов'язані міцними узами: все в експерименті робиться для того, щоб відкрити яку-небудь гіпотезу, гіпотеза, в свою чергу, веде до нових експериментів, які дають нові факти, розвиваючі знання про об'єкт.

Гіпотеза - це наукове припущення, що спирається на факти, виражене у формі судження, або системи взаємопов'язаних суджень, про причини, механізм досліджуваних явищ. За своєю логічною структурі гіпотеза є імовірнісним судженням, тому що істинність її не визначена. За своєю пізнавальної функції гіпотеза виступає або як форма розвивається знання від проблеми до теорії, або як структурний елемент теорії. Гіпотеза як процес мислення складається з двох послідовних етапів: 1) побудова гіпотези; 2) обгрунтування її логічними методами.

Побудова гіпотези починається з висунення припущення про можливу причину, яка нас цікавить явища. Це складний логічний процес, в якому використовуються різні методи: індукція, дедукція, аналогія, аналіз, синтез. Мислення йде від аналізу фактів до висновку про причини явищ і, отже, до пояснення фактів. Опора на факти, їх аналіз - ось що відрізняє гіпотезу від простої здогади, фантазії або вигадки. Для побудови гіпотези, тому, слід оперувати як можна великим обсягом фактичного матеріалу.

Гіпотези виникають не тільки для пояснення емпіричного матеріалу, а й для вирішення протиріч, що з'являються на теоретичному рівні. Наприклад: 200 років у фізиці співіснували дві теорії світла: корпускулярна (Ньютона) і хвильова (Гюйгенса). Луї де Бройль в 20-ті роки ХХ ст. висунув гіпотезу, що будь-яка частинка, незалежно від її руху, є одночасно і хвиля, і корпускула. У результаті цього два відокремлених розділу фізики - механіка і хвильова оптика - виявилися взаємопов'язані.

Таким чином, гіпотеза може виникати як шляхом індуктивного узагальнення дослідних даних, так і в результаті інтуїції і подальшої дедукції.

Перевірка (доказ) гіпотези - необхідний етап на шляху руху наукового пізнання до достовірного знання, і, щоб стати достовірним, воно повинно бути обгрунтовано. У процесі перевірки гіпотеза або приймається, тобто входить як елемент в наукову теорію або ж сама перетворюється в теорію, або відкидається. Перевірка гіпотези на її спроможність проходить послідовно два етапи: з даної гіпотези виводяться логічні наслідки, і потім проводиться їх емпірична перевірка з метою встановлення відповідності наслідків і даних досвіду. Якщо відповідність встановлено, то гіпотезу можна застосовувати в якості наукового припущення. Додаткова достовірність гіпотези визначається тим, що наслідки, виведені з неї, пророкують факти, існування яких підтверджується ходом досліджень. У цьому полягає евристична роль гіпотези. На основі квантово-релятивістської теорії Поль Дірак припустив, що існує частинка, схожа з електроном, але протилежна за зарядом, і передбачив відкриття позитрона. Спроможність гіпотези перевіряється і шляхом зіставлення її наслідків з теоретичними положеннями, істинність яких доведена. Якщо немає протиріччя, то можна говорити про її достовірності.

Дуже часто вченим доводиться безповоротно відмовлятися від гіпотези у зв'язку з її спростуванням. Така доля, наприклад, виявилася у гіпотези закінчення Ньютона, в якій вважалося, що швидкість поширення світла у склі, воді і т.д. є більш високою, ніж у повітрі, у гіпотези вічного двигуна у зв'язку з відкриттям законів збереження і ін

Зазвичай при аналізі фактичних даних висувається кілька гіпотез, що пояснюють даний клас явищ, - так звані «конкуруючі гіпотези». У боротьбі конкуруючих гіпотез велику роль грають «вирішальні експерименти». Вони проводяться тоді, коли з цих гіпотез вдається вивести слідства, суперечать один одному, але які можна зіставити з даними експерименту. Підтвердження наслідків однієї гіпотези буде свідчити про спростування наслідків інший. Це означає, що і гіпотеза, з якої отримані такі слідства, також визнається помилковою. Гіпотеза, альтернативна їй, хоча і не визнається поки істинної, але набуває велику ймовірність.

Вимоги до гіпотези:

Гіпотеза повинна бути принципово перевіряється, тому що її зміст має бути можна порівняти з вмістом емпіричних даних.

Гіпотеза повинна бути обгрунтована не тільки емпірично, а й теоретично (не суперечити встановленим наукою законів).

Гіпотеза не повинна бути внутрішньо суперечливою.

Простота гіпотези. З «конкуруючих» гіпотез вибирається та, яка є найбільш простим поясненням. Самі вчені називають це вимога «бритвою Оккама» на ім'я філософа Уїльяма Оккама. Сенс цього правила в тому, що більш прості пояснення природних явищ з більшою ймовірністю можуть виявитися правильними, чим більш складні. Якщо ми розташовуємо двома гіпотезами, що пояснюють одні й ті ж явища, то слід вибирати ту з них, яка включає найменше з можливих число допущень чи складних викладок, відсікаючи (як бритвою) ті, які містять надмірні принципи. «Бритва Оккама» виявилася винятково корисним методологічним правилом, проте в сучасній науці його застосовують з обережністю, тому що він не є вірним в кожному конкретному випадку.

Закон науки. Найчастіше наукове пізнання пов'язані з пошуком універсальних загальнозначущих і достовірних законів, які можуть бути в будь-який момент експериментально перевірені. Наукові дисципліни такого типу називають номологическое (від грец. Nomos - закон). До них відноситься велика частина наукових дисциплін. Закон - стійка повторювана зв'язок явищ. Встановлення законів науки пов'язано з виявленням повторюваних і відтворювальних феноменів. Закони науки відіграють роль найважливіших принципів пояснення будь-яких фактів. Тому закон є головним структурним елементом наукової теорії. Протиріччя фактів закону, як ми вже бачили, означає проблемну ситуацію, дозволом якої є гіпотеза. Наприклад, що проводилися в Х1Х ст. спостереження за рухом планети Уран показали, що воно суперечить прогнозам, зробленим на підставі законів Ньютона. Це тягло за собою припущення про хибність законів Ньютона. Однак замість того, щоб спростовувати закони Ньютона, Левер'є і Адамс висунули здогад про те, що поблизу Урана може знаходитися не виявлена ​​досі планета, яка і відповідає за аномальне рух Урана. Галле зайнявся пошуками цієї планети. Так була відкрита планета Нептун.

У залежності від методології закони науки діляться на емпіричні, отримані за допомогою індуктивного узагальнення, і теоретичні, отримані шляхом ідеалізації.

Наукова програма. Досягнення наукових цілей неможливе без вирішення комплексів проблем і завдань. Для позначення цих комплексів у методологію наукового пізнання було введено поняття «наукова програма». Наукова програма являє собою систему цілей, засобів, цінностей. У рамках наукової програми формулюються загальні теоретичні положення, задаються ідеали наукового пізнання й організації наукового знання, його оцінки.

4. Принципи природознавства. Способи обгрунтування (моделі) природничо-наукового знання

Принципи природознавства:

Формально-логічні принципи: обгрунтованості, однозначності, несуперечності, повноти, які виражаються в основних законах логіки:

Закон тотожності - в процесі міркування будь-яка думка повинна залишатися рівною самій собі (А = А)

Закон непротиріччя - ніяке судження і його заперечення не можуть бути істинними в один і той же час (невірно, що А і не-А)

Закон виключеного третього - з двох суперечливих суджень тільки одне є істинним (або А, або не-А)

Закон достатньої підстави - ​​кожна думка має бути достатньо обгрунтованою.

А також принцип відповідності: має бути відповідність між старою і новою теорією, в деякому межі математичний апарат нової теорії повинен збігатися з математичним апаратом старої теорії.

Емпіричні принципи (верифікація - відповідність фактам): узгодженість теоретичних тверджень з фактичним матеріалом, можливість їх емпіричного підтвердження і спростування. Від наукових положень потрібно, щоб вони допускали принципову можливість спростування (фальсифікація) і припускали певні процедури свого підтвердження. Якщо цього немає, то щодо якогось положення не можна сказати, які ситуації і факти несумісні з ним, а які - підтримують його. Наприклад, на початку ХХ століття біолог Г. Дріш спробував обгрунтувати наявність у живих істот так званої «життєвої сили», яка змушує їх вести себе певним чином. Ця сила, названа ним «ентелехії», має різні види залежно від стадії розвитку організму. У найпростіших організмах ентелехія порівняно проста, у людини вона значно складніше і відповідає за все, що відбувається в її тілі. Дріш не визначав, ніж ентелехія, наприклад, дуба відрізняється від ентелехії бегемота. Він просто стверджував, що кожен організм має власну ентелехії. Закони біології він тлумачив як прояв ентелехії. Так, наприклад, якщо повністю відрізати у морського їжака кінцівку, він не виживе, якщо відрізати іншим способом, то їжак виживе, і у нього виросте неповна кінцівку; якщо розріз зробити інакше і на певній стадії росту їжака, то кінцівку відновиться повністю. Чи можна було емпірично перевірити наявність ентелехії? Ні, оскільки вона нічим себе не проявляла. Гіпотеза ентелехії нічого не додавала до науковому поясненню, і незабаром була відкинута як непотрібна.

Прагматичні принципи:

принцип простоти - вимога використовувати при поясненні досліджуваного об'єкта як можна менше незалежних припущень, які при цьому повинні бути як можна більш простими;

принцип звичності - вимога пояснювати, наскільки це можливо, нові явища за допомогою відомих законів;

принцип технологічної застосовності - вимога максимальної ефективності практичного застосування отриманого знання.

В історії природничо-наукового пізнання склалися три моделі побудови наукового знання (або теорії):

Дедуктивно-аксіоматична модель - спосіб побудови наукового знання, при якому в основу кладуться деякі вихідні положення, які не потребують доведення в силу своєї очевидності, - аксіоми або постулати. Всі інші твердження виводяться з них чисто логічним дедуктивним шляхом, за допомогою докази. Вихідні положення, прийняті без доведення, називаються постулатами, положення, доводимо на їх основі, - теоремами. Аксіоматичний метод зародився в Стародавній Греції і придбав популярність завдяки «Початкам» Евкліда - це було перше аксіоматичне тлумачення геометрії.

В даний час дедуктивно-аксіоматична модель стала використовувати особливий підхід - формалізацію. У науковому дослідженні стали застосовуватися формалізовані (штучні) мови. Процес формалізації пов'язаний з наявністю трьох умов: 1) алфавіту - певного набору знаків, що мають тільки одне значення, 2) алгоритму - правил перекладу наукових висловлювань на мову формул; 3) правил виводу.

Формалізовані мови мають перед природною мовою найважливіші переваги: ​​1) можливість проведення дослідження суто формальним шляхом (оперування знаками) без безпосереднього звернення до об'єкта;

2) моносемічность (кожен знак має тільки одне значення). Проте можливості будь-якого формалізованої мови залишаються принципово обмеженими, що показав у своїй знаменитій теоремі неповноти на початку 30-х років ХХ ст. австрійський математик і логік Курт Гедель. Дедуктивно-аксіоматична модель обгрунтування наукового знання лежить в основі концепції раціоналізму.

2. Індуктівістская модель пов'язана з принципами наукової індукції. Як ми вже з'ясували, наукова індукція заснована на виявленні причинного зв'язку між явищами (каузальне пояснення). Ця модель обгрунтування наукового знання лежить в основі концепції емпіризму.

3. Гіпотетико-дедуктивна (стандартна) модель представляє собою взаємозв'язок індукції та дедукції і є способом отримання теоретичних законів за допомогою гіпотез. Суть цієї концепції полягає в наступному: однаковість світу, яке наука висловлює у вигляді законів різного ступеня спільності; пізнання починається з фактів, тобто результатів спостережень і експериментів; в процесі узагальнення фактів (індукція) формулюються емпіричні закони, які пояснюють саме дані факти. Однак від фактів і емпіричних законів немає прямого шляху до теоретичних законам. З теоретичних законів можна дедуціровать емпіричні закони, але самі теоретичні закони отримані шляхом гіпотези (здогадки). Саме в цьому контексті стає зрозумілою фраза Ейнштейна про те, що ніякої логічний шлях не веде від спостережень до основних принципів теорії. Виникнення здогадки - це ірраціональний компонент пізнання, в цьому процесі величезна роль належить інтуїції.

Якщо ж розглядати знання про природу з точки зору його форми і використовуваної мови, то можна виділити такі види природознавства, як: математичне, таксономічне і дескриптивное. Математичне природознавство - вища форма розвитку наукового знання. Найбільш математизувати з усіх наук про природу є фізика, потім хімія, яка у своєму вченні про атомно-молекулярну структуру речовини тісно пов'язана з фізикою. Математичний апарат використовується і в біології, а також в інших природничих науках, однак у них він не є основним способом викладу знання, тут головну роль відіграють класифікації (таксономія) та опис (дескрипція).

Блискучим прикладом наукової класифікації є періодична система елементів Д.І. Менделєєва. Вона фіксує закономірні зв'язки між хімічними елементами і визначає місце кожного з них у єдиній таблиці. Це дозволило зробити чудово підтвердилися прогнози щодо невідомих ще елементів.

Загальну популярність в Х VIII - Х I Х ст. отримала класифікація живих істот К. Ліннея. Він бачив завдання описового природознавства в розташуванні об'єктів спостереження - елементів живої та неживої природи - в строгий порядок по ясним і конкретним ознаками. Класифікація повинна була виявити строгі закономірності і порядок у будові світу, за допомогою яких можна було б дати повне і глибоке пояснення природи.

У описових науках думку дослідника змушена звертатися безпосередньо до даних спостереження та експерименту, тут рідше вдається виявити закономірні зв'язки. Описові методи широко використовуються в біології, медицині тощо Опис досліджуваних явищ може бути словесним, графічним, схематичним. Для деяких особливо складних явищ цей метод є найбільш підходящим; самі явища такі, що вони не підкоряються жорстким вимогам гіпотетико-дедуктивного методу.

Основні поняття теми:

Природа - це весь матеріально-енергетичний та інформаційний світ Всесвіту.

Метод - сукупність принципів, правил і прийомів практичної та теоретичної діяльності.

Емпіризм - напрям у методології, що визнає досвід єдиним джерелом достовірного знання, що зводить зміст знання до опису цього досвіду.

Раціоналізм - напрямок у методології, згідно з яким достовірне знання дає тільки розум, логічне мислення.

Факт - 1) дійсну подію, те, що існує насправді;

2) (науковий факт) - судження про одиничний, отриманий в результаті спостереження, експерименту.

Принцип - складна, концентрована форма знання, яка акумулює в собі основний напрям дослідження, його «дух».

Теорія - логічно організована система наукових знань, яка дає цілісне і всебічний опис об'єкта.

Проблема - це такий наукове питання, на яке не можна відповісти, користуючись наявними засобами.

Концепція - основний спосіб розуміння, трактування яких-небудь явищ.

Гіпотеза - це наукове припущення, що спирається на факти, виражене у формі судження, або системи взаємопов'язаних суджень, про причини, механізм досліджуваних явищ.

Верифікація (емпіричне підтвердження) - процедура перевірки наукових висловлювань через зведення їх до досвіду.

Натурфілософія - умоглядний підхід до розуміння природи як цілого.

Тема 3. Динаміка природознавства і тенденції його розвитку

1. Виникнення природознавства. Проблема початку науки

Для розуміння того, що являє собою сучасне природознавство, важливо з'ясувати, коли воно виникло. Існує кілька точок зору з питання про початок науки. Іноді відстоюється позиція, що природознавство виникло в кам'яному столітті, коли людина стала накопичувати і передавати знання про світ. Джон Бернал у книзі «Наука в історії суспільства» пише: «Так як основну властивість природознавства полягає в тому, що воно має справу з дієвими маніпуляціями і перетворення матерії, головний потік науки випливає з практичних технічних прийомів первісної людини ...»

Деякі історики науки вважають, що природознавство виник в Стародавній Греції, де на тлі розкладання міфологічного мислення виникають перші програми дослідження природи. Вже в Давньому Єгипті та Вавилоні були накопичені значні математичні знання, але тільки греки почали доводити теореми. Якщо науку трактувати як знання з його обгрунтуванням, то цілком справедливо вважати, що вона виникла приблизно в V столітті до н.е. в містах-полісах Греції - осередках майбутньої європейської культури.

Більшість істориків науки вважає, що про природознавстві в сучасному значенні цього слова можна говорити лише починаючи з Х VI - Х VII ст. Це епоха наукової революції, пов'язана з іменами І. Кеплера, Х. Гюйгенса, Г. Галілея, І. Ньютона. Народження природознавства в цьому випадку ототожнюється з народженням сучасної фізики і необхідного для неї математичного апарату. У цей же час відбувається становлення науки як соціального інституту. У 1662 р. виникає Лондонське Королівське товариство, в 1666 р. - Паризька Академія Наук.

Існує точка зору, що сучасне природознавство виникло в кінці Х I Х ст. В цей час наука оформляється в особливу професію завдяки в першу чергу реформам Берлінського університету, яка проходила під керівництвом Вільгельма Гумбольдта. У результаті цих реформ з'явилася нова модель університетської освіти, в якій навчання поєднане з науково - дослідницькою діяльністю. Ця модель науки була найкраще реалізована в лабораторії відомого хіміка Ю. Лібіха в Гессені. Процес перетворення науки в професію завершує її становлення як сучасної науки.

Таким чином, наука - це складне багатогранне соціальне утворення, тому в залежності від того, який аспект її розвитку ми робимо предметом аналізу, ми отримаємо різні точки відліку виникнення науки:

- Як знання і діяльність з виробництва цих знань - з початку людської культури;

- Як форма суспільної свідомості - Др. Греція V століття;

- Як соціальний інститут - Новий час;

- Як система підготовки кадрів - середина Х I Х століття;

- Як безпосередня продуктивна сила - друга половина ХХ століття.

2. Основні моделі розвитку природничо-наукового знання

У методології науки існує безліч моделей логіки розвитку наукового знання, але деякі з них все ж таки є пріоритетними. Розглянемо деякі з них.

Концепція розвитку науки, розроблена американським філософом Томасом Куном і представлена ​​в його книзі «Структура наукових революцій», ще в 60-ті роки ХХ століття зібрала найбільшу кількість прибічників. Т. Кун відзначив такий цікавий факт: вчені-суспільствознавці сперечаються, в основному, по фундаментальним питанням, представники природознавства з таких питань сперечаються дуже рідко, тільки тоді, коли їх науки переживають кризу. Зазвичай натуралісти довго працюють в певних рамках, окреслених фундаментальними науковими відкриттями.

Т. Кун ввів поняття «парадигма» (визнана науковою спільнотою модель постановки та вирішення проблем). У рамках парадигми формулюються загальні базисні положення, які використовуються в теорії, задаються ідеали наукового пояснення і організації наукового знання, його оцінки.

Парадигма містить особливий спосіб організації знання, що впливає на вибір напрямку досліджень та зразки вирішення конкретних проблем. Сама парадигма не виконує безпосередньо пояснювальної функції і не є теорією, хоча і заснована на певній фундаментальної теорії. Вона виступає в ролі передумови побудови і обгрунтування різних теорій і визначає стиль наукових досліджень. Т. Кун зараховував до парадигм в історії науки аристотелевську динаміку, птолемеевскую астрономію, ньютонівську механіку і т.д.

Розвиток наукового знання усередині парадигми отримало назву «нормальної науки». Зміна парадигм є науковою революцією. Наприклад, зміна класичної ньютонівської фізики релятивістської ейнштейнівської.

Таким чином, відповідно до моделі Куна, розвиток науки являє собою єдність екстенсивного («нормальна наука») та інтенсивного (наукова революція) етапів. Затвердження нової парадигми відбувається в умовах величезного протидії прихильників колишньої. Оскільки нових підходів може бути декілька, то вибір принципів, складових майбутню парадигму, відбувається не раціональним способом, а скоріше в результаті ірраціонального акту віри в те, що світ влаштований саме так.

У відповідь на це з'явилися інші альтернативні моделі науки. Імре Лакатоса (Лакатош) запропонував методологію науково-дослідницьких програм, яка на відміну від моделі Т. Куна заснована на виборі однієї з конкуруючих програм шляхом застосування чітких, раціональних критеріїв. Історія розвитку науки - це конкуренція науково - дослідних програм, що мають наступну структуру:

- «Жорстке ядро», укладає в собі вихідні положення, незаперечні для прихильників програми.

- «Захисний пояс" - включає гіпотези, зміни в ньому не зачіпають «жорсткого ядра».

- «Негативна евристика» - захист ядра програми за допомогою допоміжних гіпотез і припущень, які знімають протиріччя з аномальними фактами.

- «Позитивна евристика» - припущення, спрямовані на те, щоб змінювати і розвивати «опровержімие варіанти» дослідницької програми, тобто визначати проблеми, виділяти захисний пояс допоміжних гіпотез, передбачити аномалії і т.п. Учені, що працюють в рамках будь-якої науково-дослідної програми, можуть довгий час ігнорувати суперечливі факти і критику. Вони вважають, що рішення конструктивних завдань, яке визначається «позитивної евристики», призведе до пояснення незрозумілих фактів. Це дає стійкість розвитку науки. Однак позитивна евристична сила будь-якої науково-дослідної програми все ж таки вичерпує себе і на зміну їй приходить інша. Таке витіснення однієї програми іншої є науковою революцією.

Таким чином, джерелом розвитку науки є конкуренція наукових програм, яка обумовлює безперервний ріст наукового знання.

Третя модель розвитку науки належить американському філософу К. Поппера. Вона отримала назву «концепції перманентної революції». В її основі лежить принцип фальсифікації: теорія вважається науковою, якщо вона опровержімая. Пряме підтвердження теорії часто утруднене неможливістю врахування всіх окремих випадків її дії, а для спростування теорії досить всього одного випадку, з нею не збігається. Якщо теорія сформульована так, що ситуація, в якій вона буде спростована, може існувати, то вона є науковою. Теорія, не опровержімая в принципі, не може бути науковою. Пізнання йде в напрямку: теорія - факти - нові проблеми. Розвиток науки і є рух від одних проблем до інших в ході безперервної революції.

3. Наукові революції і зміна картин світу

Природознавство - це така система знань про природу, яка являє собою щось єдине і цільне. Щоб підкреслити фундаментальний характер основних і найважливіших знань про природу, вчені ввели поняття природничо-наукової картини світу (ЕНКМ), під якою розуміють систему найважливіших принципів і законів, що лежать в основі пояснення природи. (Картина світу - цілісний, несуперечливий образ дійсності).

Як правило, у формуванні такої картини важливу роль відіграють концепції та теорії найбільш розвинутих галузей природознавства, які висуваються як його лідерів. Це не означає, що інші науки не беруть участь у формуванні картини природи. ЕНКМ - результат синтезу фундаментальних відкриттів і результатів дослідження всіх галузей природознавства. ЕНКМ впливає на інші галузі науки, в тому числі і гуманітарні, і визначає науковий клімат епохи.

ЕНКМ - цілісна система уявлень про загальні властивості і закономірності природи, що виникає в результаті синтезу основних природничо принципів.

Історія природознавства свідчить про те, що лідером природознавства була і залишається фізика - найбільш розвинена і систематизована наука про природу. Коли формувався світогляд європейської цивілізації Нового часу, і складалася наукова картина світу, її визначали саме принципи і концепції фізики.

В історії природознавства змінювали один одного фізичні картини світу:

Механічна картина світу (МКМ)

Електромагнітна картина світу (ЕМКМ)

Квантово-релятивістська картина світу (КРКМ).

Як видно, фізична картина світу обумовлена ​​тієї фундаментальної теорією, за допомогою якої пояснювали або намагалися пояснити будь-які явища природи. Розглянемо особливості кожної з них.

Характерні особливості механічної картини світу:

- Атомізм - вчення про світ як сукупності величезного числа неподільних частинок, що переміщаються в просторі і часі. Тому МКМ часто називають корпускулярної концепцією природи. Матерія - це атоми.

- Рух - ключове поняття, з нього виводилися поняття сили, маси, тяжіння. (Ньютон: закони руху є закони світобудови).

- Принцип дальнодії (Ньютон): взаємодія між тілами відбувається миттєво на будь-якій відстані, без будь-яких матеріальних посередників;

- Принцип абсолютності простору і часу, які не пов'язані з рухом тіл. Простір є порожнім вмістилищем тіл, час - чиста тривалість.

- Принцип детермінізму: будь-які події жорстко зумовлені законами механіки. Згідно з цим принципом можна точно і однозначно визначити стан механічної системи її попереднім станом, випадковості виключаються.

- Принцип редукціонізму: зведення закономірностей більш високих форм руху матерії до законів найпростішої форми - механічної. Образ світу - машина, досконалий годинниковий механізм.

Світлові, теплові, електричні, магнітні явища не вписувалися в механічну картину світу.

Електромагнітна картина світу.

Майкл Фарадей ввів поняття електромагнітного поля, проводив досліди по його вивченню, прийшов до думки про необхідність заміни корпускулярних уявлень про матерію континуальна. (Континуально - безперервність). На основі дослідів з вивчення електромагнітного поля Джеймс Клерк Максвелл створив електромагнітну теорію, яка лягла в основу нової картини світу.

Основні риси ЕМКМ:

- Електромагнітне поле суцільно безперервно, заряди в ньому є точковими силовими центрами. Тому ЕМКМ називають континуальної концепцією природи.

- Докорінно змінилися погляди на матерію, простір, час і силу. Матерія - єдине абсолютно неперервний безмежне поле з силовими точковими центрами (електричними зарядами) і хвильовий рух у ньому (коливання). Рух не є механічне переміщення, а поширення коливань у полі, які описуються не законами механіки, а законами електродинаміки.

- Порожнього простору немає, так як поле є абсолютно неперервною матерією. Реляційне розуміння простору і часу. Простір і час залежать від матерії.

- Принцип блізкодействія (Фарадей): будь-які взаємодії передаються полем від точки до точки безперервно і з кінцевою швидкістю.

- Принцип детермінізму став включати поняття ймовірності. Випадковість - форма прояву необхідності.

- Відмова від механістичного редукціонізму.

Квантово-релятивістська картина світу.

У сучасній фізиці в основі пояснення світу лежать дві фундаментальні теорії - квантова теорія і теорія відносності Ейнштейна. Хоча вони і перетинаються, але ставляться до різних рівнів спостереження. Квантова теорія необхідна для вивчення явищ на мікрорівні (атоми, ядерні та суб'ядерних феномени), теорія відносності відноситься до астрономічних швидкостей і відстаням.

Характерні риси КРКМ:

- Корпускулярно-хвильовий дуалізм.

- Основним матеріальним об'єктом є квантове поле, перехід якого з одного стану в інший змінює число частинок. Основна особливість елементарних частинок - універсальна взаємозалежність і взаімопревращаемость.

- Рух - приватний випадок фізичної взаємодії. Відомі 4 види фундаментальних фізичних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Вони описуються на основі принципу блізкодействія: взаємодії передаються відповідними полями від точки до точки, швидкість передачі завжди скінченна і не може перевищувати швидкість світла у вакуумі (300 тис. км / сек).

- Остаточно утверджується принцип відносності простору і часу, залежність їх від матерії. Простір-час утворюють єдиний чотиривимірний континуум.

- Закономірність і причинність виступають в ймовірнісної формі, так званих, статистичних законів.

- У картину світу включається спостерігач, від присутності якого залежать досліджувані властивості об'єктів. Світ постає як мислеобраз.

До кінця ХХ ст. вигляд природознавства істотно змінився. Зміни у фундаментальних науках визначають загальні контури нової наукової картини світу. Для неї характерні:

- Глобальний еволюціонізм - застосування ідеї розвитку до всієї матерії, в тому числі і Всесвіту в цілому. Еволюційна концепція проникла у всі природні науки - від фізики до геології. Що виникають в результаті процесів диференціації та інтеграції нові наукові дисципліни спочатку еволюційний (екологія, біогеохімія, антропологія).

- Розгляд усіх процесів природи з точки зору самоорганізації (теорія самоорганізації - синергетика). Синергетика намагається відкрити універсальний механізм, що здійснює самоорганізацію як живий, так і неживої природи. Самоорганізація розуміється як спонтанний (мимовільний) перехід відкритої нерівноважної системи від менш складних і упорядкованих форм організації до більш складних і впорядкованим. Відкриті системи - це системи, які обмінюються речовиною, енергією з зовнішнім середовищем. Нерівноважні - це системи, які перебувають у стані, далекому від термодинамічної рівноваги (= максимальна ентропія, тобто хаос).

- Системність - принцип, згідно з яким все у світі, в тому числі і сам Всесвіт, має системну організацію, тобто утворено з безлічі елементів різного рівня складності та впорядкованості. Для системи характерні: інтегративність, ієрархічність, субординація елементів.

- Історичність означає принципову незавершеність наукової картини світу.

Розвиток природознавства вело до зміни картин світу, а значить, до зміни основних принципів і законів пояснення природи. Цей період розвитку природознавства прийнято називати революційним. Наукова революція - це інтенсивний період розвитку науки, який веде до радикальних змін у системі знань, в принципах і методах наукового пізнання. Для наукової революції завжди характерно виникнення кризових ситуацій, пов'язаних з докорінною ламкою усталених панівних уявлень про природу. В історії науки виділяють кілька типів наукових революцій:

приватна - зачіпає одну область знання;

комплексна - зачіпає ряд областей знання;

глобальна - радикально змінює підстави науки.

В історії науки глобальних революцій було три: У VI - IV ст. до н.е. виникла наука як раціональний спосіб пізнання світу; Х VI-Х VII ст. - Революція привела до створення класичного природознавства; ХХ ст. - Науково-технічна революція - вела не лише до радикальних змін у науці і техніці, але і до масштабних соціально-економічних перетворень, в тому числі якісних змін у продуктивних силах суспільства.

Отже, глобальна наукова революція означає «потрясіння основ», в результаті якого відбувається зміна парадигм. В історії розвитку природознавства прийнято виділяти три глобальні наукові революції і називати по іменах учених, що зіграли в них вирішальну роль: арістотелівська, ньютонівська і ейнштейнівська.

У VI - IV ст. до н.е. виникла наука як раціональний спосіб пізнання світу. Аристотель створив формальну логіку - науку про доведення, головний інструмент виведення та систематизації знання. Арістотель вперше предметно диференціював наукове знання: відділив науки про природу від метафізики (філософії) та математики. Аристотелевские норми науковості знання, способи обгрунтування в науці успішно використовувалися в протягом 1000 років, а закони формальної логіки діють і понині.

Революція в природознавстві, що почалася в 90-х рр.. Х I Х ст. і тривала до середини ХХ ст. також носила глобальний характер. Вона почалася у фізиці, а потім поширилася на всі інші науки.

I етап (90-і рр.. Х I Х ст. - 20-і рр.. ХХ ст.): Були зроблені відкриття, які докорінно змінили наукові уявлення про світ, -

електромагнітних хвиль (Герц);

короткохвильового електромагнітного випромінювання (Рентген);

радіоактивності (Беккерель);

електрона (Томсон);

світлового тиску (Лебедєв);

ідеї кванта (М. Планк);

створення теорії відносності (Ейнштейн) і ін

Крах колишніх уявлень про матерію і її будову, властивості, форми руху і типах закономірностей, про простір і час отримало назву «кризи фізики», яке позначало криза механістичних підстав класичної науки.

II етап (сер. 20-х рр.. - 40-і рр.. ХХ ст.) - Створення квантової механіки і з'єднання її з теорією відносності в новій квантово-релятивістської картини світу.

III етап (40-і - 70-і рр.. ХХ ст.) - Оволодіння атомною енергією, створення ЕОМ і кібернетики, початок освоєння космосу і розвиток космонавтики та ін Наукова революція з'єднується з технічної, що призводить до НТР.

В даний час відбувається чергова глобальна революція, в результаті якої народжується нова наука - постнекласична, в якій співіснують кілька парадигм.

4. Класичне, некласичної і постнекласичної природознавство

Тенденції сучасного природознавства.

Класична наука склалася в результаті революції Х VI - Х VII ст. і охоплює період з Х VIII ст. по 20-і рр.. ХХ ст., Тобто до появи квантово-релятивістської картини світу.

Специфіка класичної науки:

- Прагнення до завершеної системи знань;

- Орієнтація на класичну механіку, її закони та принципи;

- Механічна картина світу: світ - гігантський механізм.

- Механістичний детермінізм, який трактував всі типи взаємозв'язку і взаємодій як механічні та заперечував об'єктивний характер випадковості. (Б. Спіноза: випадковим ми називаємо явище тільки з причини браку наших знань про нього.) Наслідком механістичного детермінізму є фаталізм - вчення про загальну обумовленості явищ.

- Субстанціоналізм - пошук першооснови.

- Принцип відображення - пізнання як дзеркальне відображення дійсності, наслідком чого є визнання об'єктивності знання.

- Принцип абсолютності знання - знання абсолютно достовірно, а тому і незмінно.

- Механіцизм і метафізика: природа - незмінне, завжди тотожне, що не розвивається ціле. (Метафізика розуміється тут як пізнання явищ поза зв'язком і поза розвитку.) Звідси випливає, що якщо все в світі підкоряється законам механіки, то людина - теж машина, а життя незначна і випадкова. Все існуюче підпорядковується дії, так званих, динамічних закономірностей, які повторюються в кожному конкретному випадку і мають однозначний характер. Механістичний детермінізм абсолютизував динамічні закономірності. Стверджувалося, що, знаючи стан об'єкта у вихідний момент часу, можна впевнено передбачити його стан в будь-який інший момент часу, тобто механічний процес носить лінійний характер, а час оборотно.

Основні риси некласичної науки (10-20-і рр.. - 70-80-і рр.. ХХ ст.):

- Відмова від класичної механіки як основи пізнання і пояснення дійсності, заміна її квантово-релятивістськими теоріями;

- Руйнування класичної моделі світу - механізму. На зміну прийшла модель світу-думки;

- Зміна стилю мислення як відмова від механістичних і метафізичних установок;

- Імовірнісний детермінізм виражається у відмові від динамічних та введення статистичних закономірностей. Статистичні закономірності проявляються в масі явищ, мають форму тенденції і описують стан об'єкта з певною часткою ймовірності. Статистична закономірність виникає як результат взаємодії великого числа елементів і тому характеризує їх поведінку в цілому. Необхідність тут проявляється через дію безлічі випадкових факторів. Приклад статистичних закономірностей - закони квантової механіки і закони в суспільстві та історії. Поняття ймовірності в статистичних закономірностях виражає ступінь можливості настання, здійсненності явища чи події в конкретних умовах. Імовірність - це кількісне вираження (міра) можливості: якщо ймовірність події дорівнює одиниці, то це дійсність, при ймовірності нуль - настання події неможливо, між одиницею і нулем - вся шкала можливостей;

- Активна роль дослідника в пізнанні, визнання впливу дослідника, приладів та умов на проведений експеримент і отримані у ході його результати;

- Відмова від субстанціоналізм, тому що матерія невичерпна вглиб.

Основні риси постнекласичної науки (з 80-х рр.. ХХ ст.):

- Глобальний еволюціонізм: ідея еволюції вийшла за рамки біології, природознавство веде пошук закономірностей і механізмів еволюції на всіх рівнях організації матерії;

- Самоорганізація матеріальних систем: розвиток складних, відкритих, нелінійних, нерівноважних систем веде до переходу їх в нестійкий стан, вихід з якого здійснюється шляхом перебудови елементів системи, виникає узгодження поведінки елементів, що приводить в якісно новий стан з впорядкованою структурою. Оскільки існує безліч можливих ходів розвитку, то вибір одного з них випадковий. Порядок виникає з хаосу, випадковість вбудована в механізм еволюції;

- Антропний принцип: спостерігач усвідомлює себе частиною досліджуваного світу, активно взаємодіє з піднаглядним об'єктом. Тому Всесвіт така, яка вона є, тому, що в ній існує людина (спостерігач);

- Плюралізм істини: немає застиглого, незмінного образу об'єкта;

- Антіредукціонізм: відмова від можливості пояснити складне чимось простим, елементарним. Світ складається не з елементів-цеглинок, а із сукупності процесів - вихорів, хвиль, турбулентних рухів, і являє собою нескінченне різноманіття взаємодіючих відкритих систем зі зворотним зв'язком.

- Комплексність науки: переважають процеси інтеграції, що ведуть до інтенсифікації міждисциплінарних досліджень.

Основні поняття теми:

Парадигма (Т. Кун) - визнана науковою спільнотою модель постановки та вирішення проблем.

Принцип фальсифікації (К. Поппер) - це принцип, що дозволяє відрізняти наукове знання від ненаукового, який стверджує принципову опровергаема будь-якої наукової теорії.

Природничо-наукова картина світу (ЕНКМ) - система найважливіших принципів і законів, що лежать в основі пояснення природи як єдиного цілого.

Принцип дальнодії (Ньютон) - взаємодія між тілами відбувається миттєво на будь-якій відстані, без будь-яких матеріальних посередників.

Принцип редукціонізму - зведення закономірностей більш високих форм руху матерії до законів найпростішої форми - механічної.

Принцип детермінізму - визнання загальної обумовленості явищ і подій. Механістичний детермінізм визнає необхідність і заперечує випадковість у природі. Імовірнісний детермінізм розглядає випадковість як форму прояву необхідності.

Принцип блізкодействія (Фарадей) - будь-які взаємодії передаються полем від точки до точки безперервно і з кінцевою швидкістю.

Імовірність - кількісне вираження (міра) можливості настання якого-небудь події (явища) в конкретних умовах.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм - визнання подвійної природи об'єктів мікросвіту, які одночасно володіють властивостями хвилі і частинки (корпускули).

Динамічні закономірності характеризують поведінку ізольованих, індивідуальних об'єктів і дозволяють встановити точно певний зв'язок між окремими станами об'єкта, вони висловлюють однозначний характер зв'язку.

Статистичні закономірності - результат взаємодії великого числа елементів і характеризують їх поведінку в цілому. Інакше їх називають законами середніх величин.

Глобальний еволюціонізм - застосування ідеї розвитку до всієї матерії, в тому числі і Всесвіту в цілому.

Синергетика - теорія самоорганізації.

Наукова революція - це інтенсивний період розвитку науки, який веде до радикальних змін у системі знань, в принципах і методах наукового пізнання.

Тема 4. Історія природознавства

1. Знання про природу в древніх цивілізаціях

Важкою, повної небезпеки було життя людей у первісному суспільстві. Їм безперервно загрожував голод, холод, епідемії і міжусобні війни. Щоб забезпечити себе продуктами харчування, необхідно було збирати їстівні рослини, полювати на диких звірів, ловити рибу. Збиральництво дозволило накопичувати знання про властивості рослин та грунту, які пізніше відіграли велику роль у поширенні землеробства. У процесі полювання стародавня людина спостерігав за звичками тварин. Печерна живопис свідчить про те, що давніх цікавило будова тіла тварин. На стінах печер збереглися зображення кісток, серця, нутрощів тварин. Все це стало в нагоді тим, хто пізніше почав займатися скотарством.

Різні види знання, що здобуваються первісними людьми, збереглися у вигляді ритуалів і міфів. Інакше вони не могли бути використані в первісному суспільстві. Будь-яка інформація про явища природи, культури, соціальної сторони життя колективу відтворювалися як у вербальних, так і в ритуально-предметних формах. У міфах відображений складний донаукових досвід культурного розвитку людства, причому досвід цілком не релігійний. Поряд з релігійними ідеями, культурними обрядами і містичними ритуалами, в міфах кристалізується і позитивний пізнавальний і практичний досвід стародавніх людей.

Багато міфів мали етіологічний характер, тобто розповідь про походження світу і людини. Ця розповідь не є пояснення причинних зв'язків, а просто «картинка того, що було». Міфи є наслідком неадекватного відображення сутності явищ в мисленні людини. У них відображені певні риси об'єктивної реальності, але фрагментарно. У цьому аспекті міф не є просто помилкою. Він дає «чисте» опис деякої емпіричної сукупності фактів і явищ.

Міф у первісному суспільстві становив мотивацію будь-якого типу діяльності і звичаїв, насамперед ритуалів, будучи важливим елементом суспільних відносин. Ускладнення структури практики, диференціація суспільства зумовили еволюцію міфології.

Люди стародавнього кам'яного віку, які займалися привласнюючим господарством (полювання, збирання), були нерозривно пов'язані з природою і залежні від неї. В епоху нового кам'яного віку виникає виробляє господарство, яка зробила людини відносно незалежним від навколишньої природи. У період неолітичної революції, що тривала близько семи тисячоліть, як підкреслюється в «Хроніках людства», були закладені матеріальні і духовні основи культур Месопотамії, Єгипту, Китаю, Японії та давньої Америки.

Докорінна зміна матеріальної і духовної сторін життя людей відбулося (після появи в IV тисячолітті до н.е. писемності) у древніх рабовласницьких державах Шумеру і Єгипту. Поява писемності було викликано необхідністю регулювання в загальнодержавних масштабах іригаційного землеробства, вести облік збору данини, підтримувати зв'язок з урядовими владою і зарубіжними васалами.

Зрошення земель, водопостачання, прокладання водних шляхів сполучення, будівництво пірамід, храмів і палаців неможливо без певного мінімуму знань. Носіями цих знань була каста жерців. Вони накопичували знання в області астрономії, математики, хімії, фармакології, медицини, психології, використовували гіпноз, розробляли і ретельно готували ритуальні дії, щоб викликати повагу і страх, порушити надію і віру і тим самим ефективніше здійснювати контроль над суспільством.

Вавилоняни винайшли систему письмового числення в математику, створили чудову для настільки глибокої давнини алгебру і зачатки геометрії. Вищим досягненням древнє єгипетської геометрії були обчислення точної формули об'єму усіченої піраміди з квадратною основою, площ трикутника, прямокутника, трапеції, круга.

Розвиток спостережень за планетами призвело вавілонян до з'ясуванню правильної послідовності їх віддалення від Землі. Важливе практичне значення мало встановлення стародавніми єгиптянами сонячного календаря, з «жорстко закріпленими датами» (на відміну від місячного, місяці якого вільно «гуляли по сезонах року»).

У стародавньому Єгипті вперше визначили тривалість року, тут виникла медицина в сучасному значенні цього слова. На початку III тисячоліття до н. е.. були накопичені знання в області терапії, хірургії, офтальмології. У другій половині III тисячоліття до н. е.. в Єгипті з'явився перший підручник з хірургії. У 2300 році до н. е.. був складений шумерська збірка лікарських рецептів, де в якості лікарських засобів використовувалися рослини.

Протягом тисячоліть йшло безперервне накопичення відомостей і спостережень про процеси та предмети природи: про життя тварин і рух зірок, про розвиток рослин і властивості різних матеріалів. Так виник величезний запас емпіричних знань про те, як плавити метали, робити скло, отримувати провину і оцет, користуватися цілющими травами, люди дізналися дуже давно. Стародавній Китай знав сейсмограф і магнітну голку, створив папір; шумери придумали гальванічну ванну; майя розробили методи трепанації черепа.

Таким чином, у сакральних цивілізаціях наука ще не виділилася специфічну сферу духовної діяльності. Теоретичне мислення, будучи елементом релігійно-етичних уявлень, не набуло самостійного розвитку. Тут відбувалося переплетення елементів наукового знання з містикою і забобонами (астрономії з астрологією, математики з кабалістикою, медицини з магією). Зачатки математичних та інших раціонально-практичних знань, вимірювання, рахунок, спостереження мореплавців ще не отримали інтегрованого вираження у відповідних теоріях.

2. Антична наука про природу

Уперше наука в історії людства виникає в Стародавній Греції в VI столітті до н. е.. На відміну від ряду древніх цивілізацій (Єгипту, Вавилону, Ассирії) саме в культурі Стародавньої Греції виявляються характерні особливості зародження науки. Давньогрецькі мислителі були одночасно і філософами, і вченими. Панування натурфілософії зумовило такі особливості давньогрецької науки, як абстрактність і абстрагованість від конкретних фактів. Кожен вчений прагнув представити всі світобудову в цілому, зовсім не турбуючись про відсутність достатнього фактичного матеріалу про явища природи. Разом з тим, досягнення античних мислителів в математиці і механіці навічно увійшли в історію науки.

У ранній давньогрецької натурфілософії панувала ідея про деякі основні першооснову, що лежать в основі світобудови. До таких первоначалам відносили чотири стихії (воду, повітря, вогонь, землю), або якесь міфічне первовещество - апейрон. Але вже в цей період на зміну подібним уявленням про світ приходить струнке з того часу атомістичне вчення про природу. Представниками атомізму були Левкіпп, Демокріт, Епікур, а в натурфілософії Стародавнього Риму - Тіт Лукрецій Кар. Основні принципи їх атомістичні поглядів можна звести до наступних положень:

1. Весь Всесвіт складається з найдрібніших матеріальних частинок - атомів і незаповненого простору - порожнини.

2. Атоми незнищенні, вічні, а тому весь Всесвіт існує вічно.

3. Атоми являють собою дрібні, незмінні, непроникні і абсолютно неподільні частки, які перебувають у постійному русі, змінюють своє положення в просторі.

4. Розрізняються атоми за формою, величиною, тяжкості і т. д.

5. Всі предмети матеріального світу утворюються з атомів різних форм і різного порядку їх поєднань.

Одним з найвидатніших учених і філософів античності був Арістотель. У коло його наукових інтересів входили математика, фізика, астрономія, біологія. В історії науки Аристотель відомий як автор космологічного вчення, що справив величезний вплив на світогляд багатьох наступних століть. Космологія Арістотеля - це геоцентричної погляд: Земля, що має форму кулі, нерухомо перебуває в центрі Всесвіту. Навколо Землі розподілена вода, потім повітря, потім вогонь. Вогонь простягається до орбіти Місяця - першого небесного тіла. Небесні тіла обертаються навколо Землі по кругових орбітах, вони прикріплені до матеріальних, зробленим з ефіру, що обертається сферам. Космологія Аристотеля включала уявлення про просторову кінцівки світобудови. У цієї кінцевої протяжності космосу розташовані тверді кришталево-прозорі сфери, на яких нерухомо закріплені зірки і планети. Їх видимий рух пояснюється обертанням зазначених сфер. З крайньою сферою стикається перводвигатель Всесвіту, під ним Аристотель розумів Бога.

Історична заслуга Аристотеля в тому, що він став засновником системи знань про природу - фізики. Центральне поняття арістотелівської фізики - поняття руху. Аристотель розробив перше в історії науки вчення про рух - механіку. Усі механічні рухи він розбив на дві великі групи: рух небесних тіл у надлунного світі (круговий рух) і рух тіл у підмісячному світі (насильницькі і природні). Аристотель висловлював цікаві ідеї і в біології. Він не тільки описував світ живого, він заклав традицію систематизації видів тварин. Він перший поставив класифікацію тварин на наукову основу, групуючи види не тільки по їх подібності, а й по спорідненості. Усіх тварин Аристотель поділив на кров'яних і безкровних. Такий поділ відповідає сучасному поділу на хребетних і безхребетних. Аристотель вводить у біологію поняття аналогічних і гомологічних частин тіла, ідею про подібність шляхів ембріогенезу у тварин і людини, поняття «драбини істот», тобто розташування живих істот на певній шкалі і т.д.

Геоцентрична космологія Аристотеля була згодом математично оформлена і обгрунтована Клавдієм Птолемеєм (90-168). Птолемей по праву вважається одним з найбільших вчених античності. Він серйозно займався математикою, захоплювався географією, багато часу присвячував астрономічними спостереженнями. Головна праця Птолемея - «Математична система». Грецький оригінал було втрачено, але зберігся його арабський переклад, який багато пізніше, вже в XII столітті був переведений на латинь. Він істотно доповнив і уточнив теорію руху Місяця, удосконалив теорію затемнень. Птолемей розробив математичну теорію видимого руху планет, що грунтувалася на таких постулатах: кулястість Землі, віддаленість від сфери зірок, рівномірність і круговий характер рухів небесних тіл, нерухомість Землі, центральне положення Землі у Всесвіті. Теорія Птолемея дозволяла предвичіслять складні петлеподібні руху планет (їх прискорення і уповільнення, стану і назадній руху). На основі створених Птолемеєм астрономічних таблиць положення планет обчислювалося з досить високою на ті часи точністю (похибка менш 10''). Протягом тривалого часу система Птолемея була не лише вищим досягненням теоретичної астрономії, але і ядром античної картини світу.

Геоцентрична система світу Аристотеля-Птолемея проіснувала надзвичайно довго - аж до опублікування знаменитої праці Н. Коперника, який замінив цю систему геліоцентричної.

Давньогрецька натурфілософія прославилася внеском її представників у формування та розвиток математики. Перш за все слід відзначити знаменитого давньогрецького мислителя Піфагора. На рахунку цього античного вченого є цілий ряд наукових досягнень. До їх числа крім «теореми Піфагора» належить відкриття того факту, що відношення діагоналі і сторони квадрата не може бути виражено цілим числом і дробом. Тим самим у математику було введено поняття ірраціональності.

Одним з найбільших учених-математиків античності був Евклід, що жив у III столітті до н. е.. У своєму об'ємистому праці «Почала» він привів в систему всі математичні досягнення того часу. Створений Евклідом метод аксіом дозволив йому побудувати будівлю геометрії, яка до цього дня носить його ім'я.

Відомим вченим, математиком і механіком античності був Архімед (287-212 до н. Е..). Він вирішив ряд задач з обчислення площ поверхонь і об'ємів, визначив значення числа π (що представляє собою відношення довжини кола до свого діаметру). Архімед ввів поняття центра ваги і розробив методи його визначення для різних тіл, дав математичний висновок законів важеля. Йому приписують «крилатий» вислів: «Дайте мені точку опори, і я зрушу Землю». Архімед поклав початок гідростатики, яка знайшла широке застосування при перевірці виробів з дорогоцінних металів і визначенні вантажопідйомності кораблів. Широке поширення отримав закон Архімеда, що стосується плавучості тел. Наукові праці Архімеда мали вихід і на практику. Йому належать численні винаходи: так званий «архимедів гвинт» (пристрій для підйому води на більш високий рівень), різні системи важелів, блоків, гвинтів для підняття великих тягарів, військові метальні машини. Архімед був одним з останніх представників природознавства Стародавньої Греції.

3. Епоха Середньовіччя: релігійна картина світу і природничо пізнання

Після розквіту античної культури на європейському континенті наступив тривалий період застою і навіть регресу - відрізок часу більше 1000 років, який прийнято називати Середньовіччям. Цей занепад пояснювався все прискорюється розкладанням рабовласницького суспільства, що супроводжувалося великими потрясіннями в Європі. У державах також життя пішло в село. Серед самих вищих верств суспільства панувало глибоке неуцтво. Єдиними осередками грамотності були монастирі.

Особливості феодальної життя призвели до того, що прямі спадкоємці культури древніх греків повернулися до найпримітивніших уявленням про природу. «Небо повисло над Землею і стискало її в жахливих обіймах».

Культура Середньовіччя не знала науки в строгому розумінні. Астрологія, алхімія, натуральна магія представляли собою сплав апріорізму, умоглядності і грубого наївного емпіризму. Єдино можливим способом науково - теоретичного освоєння світу стала схоластична натурфілософія. Відповідно до інтерпретаторскім характером схоластики склалися основні методи середньовічної «науки»: компіляція; систематизація; класифікація; коментар і універсальні способи вираження середньовічної вченості: енциклопедія; словник; сума.

На початку VII століття Ісідор Севільський (ок.560 - 636 рр..) У 20 книгах «Етимології» (своєрідної енциклопедії раннього середньовіччя) виклав відомості з медицини, природознавства, геометрії й т.п.

У VIII столітті абат Фульдського монастиря Грабан (Рабан) Мавр випустив енциклопедичний збірник «de Universo libri XXII», в якому були зібрані відомості з багатьох наук, але вони не були оригінальними, а майже повністю представляли собою виписки з трактатів античних учених.

Поряд з ними широке поширення отримав алхимический рецепт як особлива форма пізнавально-практичного освоєння дійсності.

«Вогником» в середньовічній темряві називають арабський Схід, столиця якого стає на початку IX століття центром наукової діяльності. У VII і особливо IX - X століттях арабські вчені зробили найважливіші відкриття в галузі геометрії, тригонометрії, астрономії і географії. Найбільшим математиком і астрологом IX століття був Сабіт Ібн Корра. Саме в його перекладах дійшли до нас твори Архімеда, які збереглися в грецькому оригіналі. Знання античних медиків осмислив таджицький мислитель Абу-Алі Ібн Сіна (Авіценна) і об'єднав їх з медичними приписами свого часу в «Каноні лікувальної науки». Тут порушувалися також питання астрономії та мінералогії.

Фундаментальні роботи з математики, астрономії, фізики, ботаніки, географії, загальної геології і мінералогії створив учений-енциклопедист, сучасник Авіценни, Абу-Рейхан аль Біруні. Мислитель допускав можливість руху Землі навколо Сонця. У галузі мінералогії та геології він вперше встановив щільність і питома вага багатьох мінералів і металів.

З кінця XI століття намічаються деякі зрушення у вивченні природи на заході Європи. Вони були викликані серйозними змінами в економіці. До цього часу підвищується ефективність сільського господарства, виникають ремесла, розвивається торгівля, посилюється ріст міст. Хрестові походи сприяє знайомству Європи з культурними досягненнями Сходу.

У XII - XIII ст. європейська наукова література збагатилася великою кількістю латинських перекладів з арабської та грецької мов. Стали доступними твори Евкліда, Архімеда, Птолемея, Аль-Хорезмі, Сабіта Ібн Коррі, Ібн Сіни.

Поштовхом до відродження описового природознавства послужили твори Альберта Великого (бл. 1193 - 1280 р. р.). У своїх працях він виявив великі знання не тільки в області алхімії і астрономії, а й у фізиці, географії, біології та ботаніки.

Основи для розвитку експериментального методу в природничих науках заклав Роберт Гроссетет (1168-1258 р. р.). Він вважається піонером емпіричного доказу арістотельского природознавства.

У другій половині XIII в. польський фізик і оптик Віттель (бл. 1125 - 1280 р. р.), займаючись дослідженнями в області оптики, зробив ряд відкриттів, зокрема пояснив явища райдуги як результат заломлення сонячних променів окремими краплями води.

Роль експериментального методу в природознавстві обгрунтовує у своїх працях Роджер Бекон (1214 - 1294 р. р.). У творі «Велике діло» він дав енциклопедичний аналіз науки, включаючи досягнення попередніх поколінь. Р. Бекон розвиває нове уявлення про матерію, яку він відділяє від Бога, про фігури тіл, про рух, про час і вічність. Він вказує на те, що живі і неживі тіла природи складаються з одних і тих же матеріальних частинок. Він висловив ряд геніальних для того часу наукових припущень (про телескоп, літальних апаратах, поросі). Ще за життя йому присвоїли титул «дивовижний лікар», незважаючи на те, що він за свої ідеї піддавався переслідуванню. Він розробив проект реформи юліанського календаря, яка, однак, була здійснена через три століття.

Томас Брадвардін (1290 - 1349 р. р.) зробив першу спробу розробити математичні початку натурфілософії. Він прагнув математично виразити залежність між швидкістю, рушійною силою і опором. Він розробляв вчення про континуумі, актуальною і потенційної нескінченності.

Сміливістю, новизною і парадоксальністю вражало фізичне вчення Миколи з Отрекура. Він відроджує атомістичне вчення древніх. На його думку, народження і руйнування тіл полягає в тому, що атоми, зчіплюючи, утворює тіла, а розсіюючись в просторі, роблять їх розкладання. Як і Микола з Отрекура, питаннями фізики і механіки цікавився професор Паризького університету Жан Буридан. Він прагнув пояснити, яким чином руху небесних тіл можуть вічно тривати самі собою, без сторонніх двигунів, після того, як Бог дав їм на початку створення відомий імпульс, що зберігається в подальшому в силу звичайного божого сприяння. Створена ним динамічна «теорія імпетуса» була мостом, що з'єднав динаміку Аристотеля з динамікою Галілея. Відповідно до цієї теорії при падінні тіла тяжкість запам'ятовує в ньому імпетус, тому швидкість тіла під час падіння зростає. Величина імпетуса визначається і швидкістю, повідомленої тілу, і якістю матерії цього тіла. Імпетус витрачається в процесі руху на подолання тертя: коли імпетус розтрачується, тіло зупиняється. Ця ідея стала передумовою для переходу до поняття інерція. Теорія імпетуса сприяла уточненню і переосмислення поняття сили. Його розвиток пішло по двох напрямах: сила як зовнішній вплив на тіло (Ньютон); сила як кількість руху, тобто фактори, пов'язані з самим рухомим тілом (Декарт).

Великий внесок у розробку проблеми руху вніс Ніколь Орезмський, викладач Паризького університету (1323 - 1382 р. г). Він вперше представив графічне зображення руху, яке нагадувало розроблений згодом метод координат. Він сформулював закон падіння тіл, розвиваючи вчення про добове обертання Землі.

У XV - XVI ст фактично закінчується епоха Середньовіччя, починається епоха Відродження, яка ознаменувалася зростанням інтересу до природи. Перехід від Середньовіччя до Нового часу ознаменувався початком першої глобальної наукової революції та становленням класичного природознавства.

4. Епоха Відродження: революція у світогляді та науці.

Передумови класичної науки

Наукова революція, яка відбулася в епоху Відродження в XV - XVI століттях і підготувала виникнення класичного природознавства, була зумовлена ​​всім ходом соціокультурних перетворень Західної Європи. Становлення капіталістичних відносин і промисловий переворот вели до істотного прогресу науки і техніки, сприяли радикальних змін у світогляді суспільства та індивіда. Змінювався не тільки соціальний статус людини, але й змінювалося уявлення про її місце і роль у світі. Людина - це Творець. Якщо Бог - це Творець Всесвіту, то людина - перетворювач природи і життя, і Богом йому відведено особливе місце у світі.

Революція у світогляді епохи Відродження вела до радикальних змін у ставленні до Природи, до Бога, до самого себе. Теоцентрична картина світу замінюється і поступово витісняється антропоцентричної. Однак, ця - картина, в якій два центри: Бог і Людина, два Творця світу. Такий цілісний образ світу спирався на пантеїзм - вчення про тотожність Бога і Природи («Бог у всьому»), і на гуманізм - визнання людини, її свободи та гідності найвищою цінністю.

Польський астроном Микола Коперник (1473 - 1543 р. р.) на основі великої кількості астрономічних спостережень і розрахунків створив нову геліоцентричну систему світу. У цій системі Коперник звів Землю до ролі рядової планети, яка одночасно обертається навколо Сонця і навколо власної осі. У своїй праці «Про обертання небесних сфер» Коперник стверджував, що рух - це природна властивість небесних і земних механізмів, що виражається деякими загальними закономірностями механіки. Це вчення спростовувало догматизоване уявлення Аристотеля про «нерухомому першодвигун», що приводить у рух Всесвіт, і руйнувало що спиралася на ідеї Аристотеля релігійну картину світу. Разом з тим польський астроном вважав, що Всесвіт кінцева, вона десь закінчується твердої сферою, на якій закріплені нерухомі зірки. Всесвіт схожа на світ в шкаралупі.

Філософське обгрунтування ідей Коперника дав знаменитий італійський філософ Джордано Бруно (1548 - 1600). Він наполягав на тому, що Всесвіт нескінченний, що існує безліч світів, подібних до нашого світу, багато з них жилі. Інквізиція у 1592 році заарештувала Джордано Бруно. 8 років він перебував у в'язниці, де піддавався страшним тортурам. 17 лютого 1600 він був спалений на багатті, на Площі Квітів у Римі. Це відбулося на рубежі двох століть, що ознаменувала народженням класичного природознавства.

Велику роль у формуванні передумов класичного природознавства зіграв Г. Галілей.

5. Галілео Галілей і його роль у становленні класичної науки

Галілео Галілея (1564 - 1624) називають «батьком сучасного природознавства». Саме він стояв біля витоків класичної механіки та експериментального природознавства. До Галілея загальноприйнятим в науці вважалося розуміння руху, вироблене Аристотелем і яке зводилося до наступного принципу: тіло рухається тільки при наявності зовнішнього на нього впливу, і, якщо це дія припиняється, тіло зупиняється. Галілей показав, що цей принцип Арістотеля є помилковим, і сформулював зовсім інший принцип, що отримав згодом назву принципу інерції: тіло або знаходиться в стані спокою, або рухається рівномірно і прямолінійно, якщо на нього не проводиться будь-якого зовнішнього впливу. Велике значення для становлення механіки як науки мало дослідження Галілеєм вільного падіння тіл. Він встановив, що швидкість вільного падіння тіл не залежить від їх маси, як стверджував Аристотель. Пройдений падаючим тілом шлях пропорційний квадрату часу падіння. При цьому траєкторія кинутого тіла, що рухається під впливом початкового поштовху і земного тяжіння, є параболою. Галілею належить експериментальне виявлення вагомості повітря, відкриття законів коливання маятника, і багато іншого.

Істинне знання, на думку Галілея, досяжно виключно на шляху вивчення природи за допомогою спостереження, досвіду і математики. Цікаві астрономічні спостереження Галілея, обгрунтовують і стверджували геліоцентричну систему Коперника. Він наводить природничо доказ справедливості геліоцентричної системи в роботі «Діалог про дві системи світу - птолемеевскую і Коперникової».

Галілей встиг багато чого: розробив експериментально - математичний метод і обгрунтував його принципи; сформулював принцип інерції, принцип відносності, закони вільного падіння тіл, дав суворе визначення понять швидкості і прискорення; за допомогою сконструйованого їм телескопа він експериментально довів справедливість вчення Коперника.

6. І. Ньютон і його роль у становленні класичної науки

Ісаак Ньютон (1643-1727) завершив процес становлення класичного природознавства, чітко сформулювавши механічні закони всіх процесів руху і взаємодії макроскопічних тіл і створивши для їх опису математичну мову нескінченно малих. У цьому був відступ від атомістичні поглядів, але це призвело до значного просування в описі і розумінні природи. Незважаючи на те, що в даний час його підхід здається природним і очевидним на тлі абстрактних уявлень сучасної фізики, і з нього починають знайомство з цією наукою в школі, в той час знадобився майже сімдесят років, щоб цей підхід остаточно утвердився в умах учених. Давши своє визначення поняттям швидкості, прискорення, сили, маси, Ньютон сформулював закони динаміки у вигляді зв'язків між цими величинами. Проаналізувавши закони руху небесних тіл, виявлених Т. Бразі й І. Кеплером, він встановив закон всесвітнього тяжіння, ввівши в науку міру гравітаційної взаємодії тіл в нашому Всесвіті. У результаті стало можливим точно передбачати сонячні затемнення і зрозуміти природу морських припливів. Відмінною рисою класичної механіки була оборотність рухів в часі, що випливало з відповідних рівнянь. При описі механічних процесів у різних системах координат, що рухаються відносно один одного рівномірно і прямолінійно, слід було використовувати принцип відносності Галілея. Згідно з цим принципом на прискорення тіл, що виникли в результаті їх силової взаємодії, відносний рух систем відліку ніякого впливу не надає. При цьому ніякими механічними дослідами неможливо встановити, яка саме з систем рухається. Для розрахунку достатньо було просто скласти швидкість руху тіла в даній системі відліку і швидкість відносного руху систем відліку. Тому можна вибрати найбільш зручну систему відліку і працювати з нею. Наприклад, в рухомому вагоні відпущений камінь впаде вздовж вертикальної прямої, але при спостереженні з нерухомої платформи його траєкторія буде мати вигляд кривої лінії - параболи. Якщо описати рух (і передбачити положення каменю) у системі рухається вагона (що простіше), то, щоб сказати, коли і в якій точці він буде при спостереженні з платформи, достатньо просто врахувати відносну швидкість (швидкість вагона) в кінцевому відповіді.

. Наукова спадщина І. Ньютона різноманітно: створення диференціального й інтегрального числення (паралельно з Лейбніцем, але незалежно від нього), важливі астрономічні спостереження, які Ньютон проводив за допомогою власноруч побудованих дзеркальних телескопів. Він вніс великий внесок у розвиток оптики: він поставив досліди по вивченню дисперсії світла (дисперсія світла - розкладання променя світла при проходженні через призму на окремі спектральні промені) і дав пояснення цьому явищу.

У 1687 році вийшов головна праця Ньютона «Математичні начала натуральної філософії», що заклав основи сучасної теоретичної фізики. Свою наукову програму Ньютон назвав «експериментальної філософією», підкреслюючи вирішальне значення досвіду, експерименту у вивченні природи. Ідеї ​​Ньютона, що спиралися на математичну фізику і експеримент, визначили напрям розвитку природознавства на багато десятиліть вперед.

7. Наукова революція XVI - XVII століть, її хід, зміст і основні підсумки

Відрізок часу приблизно від дати публікації роботи Миколи Коперника «Про обертання небесних сфер», тобто з 1543 р., до діяльності Ісаака Ньютона зазвичай називають періодом «наукової революції». Наукова революція XVI - XVII ст представляє собою потужний рух, яке знаходить характерні риси в роботах Галілея, ідеях Бекона, Декарта і згодом отримує своє завершення в класичному механічному образі Всесвіту, подібної часовим механізмом.

Все почалося з астрономічною революції Коперника, Тихо Браге, Кеплера і Галілея - найбільш видатних її представників. Крок за кроком змінюється образ світу, з працею, але неухильно руйнуються опори космології Аристотеля - Птолемея. Коперник поміщає у центрі світу замість Землі Сонце. Тихо Браге усуває матеріальні сфери, які відповідно до старої космології залучали до свій рух планети, а ідею матеріальної сфери замінює сучасною ідеєю орбіти. Кеплер пропонує математичну систематизацію відкриттів Коперніка і завершує революційний перехід від теорії кругового руху планет («досконалого» в розумінні старої космології) до теорії еліптичного руху. Галілей показує помилковість розрізнення фізики земної і фізики небесної, доводячи, що Місяць має ту ж природу, що і Земля, і формулює принцип інерції. Ньютон у своїй теорії гравітації об'єднує фізику Галілея і фізику Кеплера.

Однак за ті 150 років, які відокремлюють Коперника від Ньютона, змінюється не тільки образ світу, що змінюється образ людини, але поступово змінюється також і образ науки. Наукова революція XVI - XVII ст - Це не тільки створення нових теорій, одночасно це докорінна зміна уявлень про знання, про науку. Цей підсумок революції Галілей пояснив дуже чітко: наука більше не є ані особливою інтуїцією окремого мага або освіченого астролога, ні коментарем до авторитету Арістотеля, який все сказав. Наука стає дослідженням і розкриттям світу природи.

Біля витоків класичного природознавства стояв Г. Галілей. Він створив експериментальне природознавство, обгрунтувавши науковий метод. У результаті наука набуває автономію від віри і філософії. Починаючи з Галілея, наука має намір досліджувати не що, а як, не субстанцію, а функцію.

Ще один важливий підсумок наукової революції - перетворення науки у соціальний інститут: виникнення академій, лабораторій, міжнародних контактів (згадаймо листування вчених).

Інша фундаментальна характеристика наукової революції - формування знання, яке на відміну від попереднього об'єднує теорію і практику, науку і техніку, створюючи новий тип вченого. Він більше не маг або астролог, що володіє приватним знанням присвячених, і не університетський професор, коментатор та інтерпретатор текстів минулого. Наукова революція породжує сучасного вченого-експериментатора, сила якого - в експерименті, що стає все більш суворим завдяки новим вимірювальних приладів, все більш і більш точним. Діяльність вченого нового типу часто протікає поза старих структур пізнання, наприклад, університетів. У XVI і XVII століттях університети і монастирі вже більше не є, як це було в середньовіччі, єдиними центрами культури. Інженер або архітектор, який проектує канали, греблі, укріплювальні споруди, займає однакову або навіть більш престижне становище, ніж лікар, астроном при дворі, професор університету. «Механічні мистецтва» раніше вважалися «низькими, нікчемними», негідними вільної людини. Тепер вони стали прирівнюватися до «вільних мистецтв», тобто інтелектуальної праці. Це зближення техніки і науки, їх подальше злиття народжує сучасну науку і становить її суть. Науку створили вчені, але розвивається вона завдяки технологічній базі, машин і інструментів. «Широке поле для роздумів, - пише Галілей в« Бесідах про двох нових науках », - представляє наглядовій розуму практика у вашому знаменитому арсеналі, панове венеціанці, і особливо в тому, що стосується механіки: кожен інструмент та механізм постійно використовують різні майстри, серед яких ... є дуже досвідчені і розумні люди ». Наука затверджується з допомогою експериментів, які здійснюються на конкретному матеріалі за допомогою випробувальних приладів, створених вручну з використанням інструментів. Щоб стати вченим тепер не обов'язково знання латини, не була потрібна знайомство з книгами або університетська кафедра. Публікації в «Акти» академій та участь у наукових товариствах були доступні всім - професорам, експериментаторам, ремісникам, дилетантам. Наука поширюється через книги, періодичні видання, приватні листи, діяльність наукових товариств, але не через університетські курси. Обсерваторії, лабораторії, музеї, майстерні, дискусійні клуби зароджуються поза університетами.

Наукова революція виявилася і в швидкому зростанні та вдосконаленні інструментарію - компаса, ваг, механічних годинників, астролябій, печей і т.д., які швидко модернізуються. На початку XVI століття весь інструментарій зводився до небагатьох предметів, пов'язаних із астрономічними спостереженнями і топографічними відкриттями, а в механіці застосовувалися важелі та блоки. Тепер же протягом всього лише декількох десятиліть з'являються телескоп Галілея (1610), мікроскоп Мальпігі (1660), Гука (1665) і Ван Левенгука, циклоїдальний маятник Гюйгенса (1673), повітряний термометр Галілея (1638), водяний термометр Жана Рея (1632) , спиртовий термометр Магалотті (1666), барометр Торрічеллі (1643), пневматичний насос Роберта Бойля (1660) і т.п. Головне завдання інструментів, на думку вчених, - посилювати пізнавальні здатності органів почуттів. І в той же час використання оптичних інструментів, таких, як призма або тонкі металеві пластинки (наприклад, у дослідах Ньютона), дозволяє характеризувати їх не тільки як допоміжний засіб для збільшення можливостей органів почуттів, але і як спосіб усунути обман зору. Проникаючи всередину об'єктів, інструмент забезпечує більшу об'єктивність у порівнянні зі свідченнями почуттів. В цей же час виникає й інша важлива проблема інструменту - спотворення досліджуваного об'єкта. У важливою полеміці Ньютона і Гука з приводу теорії кольорів і функціонуванні призми виникло суттєву розбіжність. Гук оцінив досліди Ньютона з призмою, відзначаючи їх точність і витонченість, але він відкинув гіпотезу про те, що білий колір може мати складну природу. Гук вважав, що колір не є вихідною приналежністю променів. На його думку, білий колір - продукт руху частинок, що проходять через призму. А це означає, що розсіювання квітів - результат спотворення, утвореного призмою. Ця проблема інструменту - ісказітеля досліджуваного об'єкта в подальшому розвитку фізики (в XX столітті) виникне знову.

Діяльність Галілея і Кеплера з розкриття законів механіки успішно продовжив англійський учений Ісаак Ньютон (1643 - 1727 р.р.). Його наукова спадщина надзвичайно різноманітно. Він відкрив три закони механіки, сформулював закон всесвітнього тяжіння, динамічно обгрунтувавши систему Коперника і закони Кеплера. Відкриття закону всесвітнього тяжіння справила величезний вплив на подальший розвиток природознавства. Це був універсальний закон природи, якому підпорядковувалося все мале й велике, земне і небесне. На основі ньютонівської класичної механіки склалася картина світу, яка представляла Всесвіт як сукупність величезної кількості неподільних і незмінних атомів, що переміщаються в абсолютному просторі і часі, взаємопов'язаних силами тяжіння, миттєво передаються від тіла до тіла через порожнечу. Властивості простору і часу незмінні і не залежать від самих тел. Природа, згідно цій картині світу, являє собою просту машину, частини якої підпорядковуються жорсткої детермінації.

8. Природознавство в XVIII - XIX ст.

У Х VIII ст. природознавство залишається в цілому механістичним. Фізика, виділившись з натурфілософії, була націлена головним чином на кількісні дослідження окремих явищ, встановлення окремих експериментальних фактів, виявлення приватних закономірностей.

У першій половині Х VIII ст. були досягнуті певні результати у вивченні електричних явищ. Винахід А. Вольта джерела постійного струму відкрило дорогу стрімкому розвитку фізики і техніки електрики. У 80-ті роки Х VIII ст. Ш. Кулон встановив основний закон електрики. Таким чином, до кінця Х VIII ст. прояснилася природа електрики.

Хімія на початку XVIII ст. відставала у своєму розвитку від інших наук. У c е справа в тому, що кількісні методи, розроблені Галілеєм і Ньютоном практично не застосовувалися в хімії. Не усвідомлювалася важливість точних вимірювань. Однак до кінця Х VIII ст. вчені накопичили великий експериментальний матеріал, який був систематизований в рамках єдиної теорії. Творцем цієї теорії став французький хімік А. Лавуазьє. Провівши цілу серію дослідів, він встановив закон збереження маси, який став наріжним каменем хімії XIX ст.

Астрономія в XVIII ст. стає наукою, заснованої на постійних численнях. Тому не дивно, що серед астрономів були в той час математики: Ж. Л. Д'Аламбер, Л. Ейлер, Ж. Д. Лагранж.

У біології X VIII ст. важливе місце займала систематика. Шведський натураліст К. Лінней розробив систему класифікації рослин і тварин, в якій було виділено кілька супідрядних груп: класи, загони, пологи, види й різновиду. Їм була узаконена бінарна або подвійна номенклатура видових назв.

Сформульована в космогонії ідея розвитку природи поступово переходить у біологію. Французький натураліст Ж. Бюффон одним з перших в розгорнутому вигляді виклав концепцію трансформізму (обмеженою мінливості видів і походження видів у межах відносно вузьких підрозділів).

Особливістю розвитку природознавства у другій половині XVIII ст. і протягом XIX ст. є процес його стихійної діалектізаціі. Початок цьому процесу поклала робота німецького вченого і філософа Іммануїла Канта (1724 - 1804) «Загальна природна історія і теорія неба». У цій роботі, опублікованій в 1755 році, була зроблена спроба історичного пояснення походження Сонячної системи. Гіпотеза Канта стверджувала, що Сонце, планети та їх супутники виникли з деякої початкової, безформної туманною маси, колись рівномірно заповнювала світовий простір. Кант намагався пояснити процес виникнення Сонячної системи дією сил тяжіння, які властиво часткам матерії, що становить цю величезну туманність. Ідеї ​​Канта про виникнення і розвиток небесних тіл були безсумнівним завоюванням науки середини XVIII століття. Його космогонічна гіпотеза похитнула міцність метафізичного погляду на світ. Через 40 з гаком років французький математик і астроном П'єр Симон Лаплас (1749-1827) в своїй праці «Виклад системи світу», опублікованому в 1796 р., цілком незалежно від Канта висловив ідеї, які розвивали і доповнювали кантівське космогонічне вчення (гіпотеза Канта-Лапласа ). У XIX столітті діалектична ідея розвитку поширилася на широкі галузі природознавства. У першу чергу, на геологію і біологію. Важливу роль в утвердженні цієї ідеї зіграв тритомну працю «Основи геології» англійського натураліста Чарльза Лайєля (1797 - 1875). У цій праці підкреслювалася ідея розвитку дуже тривалого існування Землі. Геологічний еволюціонізм надав неабиякий вплив на подальше вдосконалення еволюційного вчення в біології. У 1859 році вийшов головна праця Чарльза Дарвіна (1809 - 1882) «Походження видів у результаті природного відбору». У ньому Дарвін, спираючись на величезний природничо матеріал, виклав факти і причини біологічної еволюції. Він показав, що поза саморозвитку органічний світ не існує і тому органічна еволюція не може припинитися. Розвиток - це умова існування виду, умова його пристосування до навколишнього середовища. Поряд з фундаментальними роботами, що розкривають процес еволюції, розвитку природи, з'явилися нові природничі відкриття, які підтверджували наявність загальних зв'язків у природі. До числа цих відкриттів належить клітинна теорія, створена в 30-х роках XIX століття. Її авторами були ботаніки Маттіас Якоб Шлейден (1804 - 1881), що встановив, що всі рослини складаються з клітин, і професор, біолог Теодор Шванн (1810 - 1882), поширив це вчення на тваринний світ. Ще важливе відкриття цього часу - закон збереження і перетворення енергії. Першовідкривачем цього закону вважають німецького лікаря Юліуса Роберта Майєра (1814 - 1878) і англійського дослідника Джеймса Прескотт Джоуля (1818 - 1889). У відстоюванні цього закону і його широке визнання в науковому світі велику роль зіграв один із найбільш знаменитих фізиків XIX століття Герман Людвіг Фердинанд Гельмгольц (1821 - 1894). Визнаючи пріоритет Майера і Джоуля у відкритті закону збереження енергії, Гельмгольц встановив, що відповідно до цього принципу ідея вічного двигуна неможлива. Доказ збереження і перетворення енергії стверджувало ідею єдності, взаємозв'язку матеріального світу. Вся природа розглядалася як безперервний процес перетворення універсального руху матерії з однієї форми в іншу. Свій внесок у Діалектізація природознавства внесли і деякі відкриття в галузі хімії. До їх числа відноситься відкриття в 1828 році німецьким хіміком Фрідріхом Велером (1800 - 1882) штучного органічної речовини - сечовини. Воно поклало початок цілої низки синтезів органічних сполук з вихідних неорганічних речовин. Епохальною подією в хімічній науці, які зробили великий внесок у процес діалектізаціі природознавства, стало відкриття періодичного закону хімічних елементів Дмитром Івановичем Менделєєвим (1834 - 1907). Він виявив, що існує закономірний зв'язок між хімічними елементами, яка полягає в тому, що властивості елементів змінюються у періодичній залежності від їх атомної ваги. Виявивши цю закономірний зв'язок, Менделєєв розташував елементи в природну систему залежно від їх спорідненості. З вищесказаного випливає, що основоположні принципи діалектики - принцип розвитку і принцип загального зв'язку - отримали в другій половині XVIII століття і особливо в XIX столітті потужне природно-наукове обгрунтування.

Механістичні погляди на світ панували в природознавстві не тільки у XVII, XVIII, а й майже весь XIX століття. У цілому природа розумілася як гігантська механічна система, що функціонує за законами класичної механіки. Вважалося, що в силу необхідності, що діє в природі, доля навіть окремої матеріальної частки заздалегідь вирішена на всі часи. Вчені-натуралісти бачили в класичній механіці міцну і остаточну основу природознавства. Багато натуралісти слідом за Ньютоном намагалися пояснити, виходячи з початків механіки самі різні природні явища. При цьому вони неправомірно екстраполювали закони, встановлені лише для механічної сфери явищ, на всі процеси навколишнього світу. Тривалий час теорії, що пояснювали закономірності сполуки хімічних елементів, спиралися на ідею тяжіння між атомами. Лаплас був переконаний, що до закону всесвітнього тяжіння зводяться всі явища, відомі вченим. Виходячи з цього, він працював над створенням нової, молекулярної механіки, яка, на його думку, була покликана доповнити механіку Ньютона і пояснити хімічні реакції, капілярні явища, феномен кристалізації, а також те, чому речовина може бути твердим, рідким або газоподібним. Лаплас бачив причини всього цього у взаємному тяжінні між молекулами, яке, вважав він, є тільки «видозміна всесвітнього тяжіння». Як чергове підтвердження ньютонівського підходу до питання про устрій світу було спочатку сприйняте фізиками відкриття, зроблене французьким військовим інженером, членом паризької Академії наук Шарлем Огюстом Кулоном (1736 - 1806). Виявилося, що позитивний і негативний електричні заряди притягуються один до одного прямо пропорційно величині зарядів і обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Це означало, що в науці вперше з'явився один із законів електромагнетизму. Після Кулона відкрилася можливість побудови математичної теорії електричних і магнітних явищ. Механічна картина світу знала тільки один вид матерії - речовина, що складається з частинок, що мають масу. У XIX столітті до числа властивостей частинок почали додавати електричний заряд. Англійський хімік і фізик Майкл Фарадей (1791 - 1867) ввів у науку поняття електромагнітного поля. Йому вдалося показати досвідченим шляхом, що між магнетизмом і електрикою існує пряма динамічна зв'язок. Таким чином, він вперше об'єднав електрику й магнетизм, визнав їх однією і тією ж силою природи. У результаті в природознавстві початок затверджуватися розуміння того, що, крім речовини, в природі існує ще і поле. Математичну розробку ідей Фарадея зробив видатний англійський учений Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879). Його основною роботою, що містила в собі математичну теорію електромагнітного поля, з'явився «Трактат про електрику і магнетизм», виданий в 1873 р. Введення Фарадеєм поняття електромагнітного поля і математичне визначення його законів, дане в рівняннях Максвелла, з'явилися найбільшими подіями у фізиці з часів Галілея і Ньютона. Але потрібні були нові результати, щоб теорія Максвелла стала надбанням фізики. Вирішальну роль у перемозі цієї теорії зіграв німецький фізик Генріх Рудольф Герц (1857 - 1894). У 1886 році Герц продемонстрував «бездротові поширення» електромагнітних хвиль і тим самим експериментально перевірив теоретичні висновки Максвелла. Він також зміг довести принципову тотожність отриманих ним електромагнітних змінних полів і світлових хвиль. Роботи в області електромагнетизму поклали початок краху механістичної картини світу і відкрили шлях до нового світобачення, що відрізняється від механістичного. Результати робіт Фарадея, Максвела й Герца призвели до розвитку сучасної фізики, до створення нових понять, утворюють нову картину дійсності.

9. Фізика на рубежі XIX - XX століть, її відкриття та досягнення

Класична механіка панувала в науці два століття, йдучи від одного досягнення до іншого. Здавалося, що ніщо не віщувало заминок і невдач. Була створена кінетична теорія газів на основі статистичного опису поведінки великого числа часток, що рухаються атомів або молекул. Були відкриті закони термодинаміки, створено теорію електрики та магнетизму, отримані знамениті рівняння електродинаміки Максвелла, об'єднали ці теорії. Однак виявилося, що, чудово описуючи явища електромагнетизму, ці рівняння не підпорядковуються принципам відносності Галілея. Спочивають і рухомий спостерігач будуть отримувати різні результати при розгляді процесів взаємодії рухомих і нерухомих зарядів. Принцип відносності Галілея став несумісним з рівняннями Максвелла. До кінця XIX століття це протиріччя торкнулося підстави фізики. Його необхідно було вирішити. Зрештою природознавство змушене було відмовитися від визнання особливої, універсальної ролі механіки. На зміну їй поступово приходило нове розуміння фізичної реальності.

У 1895 році почалася наукова революція, що ознаменувала перехід до нового способу пізнання, що відображає глибинні зв'язки і відносини в природі. Вона включала в себе як несподівані відкриття (відкриття рентгенівських променів, радіоактивності, і т.д.), так і великі теоретичні здобутки: квантова теорія М. Планка (1900 р.), спеціальна і загальна теорія відносності А. Ейнштейна (1905 - 1906 рр..), атомна теорія Резерфорда - Бора в 1913 р. Англійський фізик і громадський діяч Дж. Бернал назвав цей період у розвитку фізики героїчним. У цей час досліджуються нові світи головним чином за допомогою технічних і теоретичних засобів старої науки XIX століття. Це був період в основному індивідуальних досягнень: подружжя Кюрі, Резерфорда, Планка, Бора, Ейнштейна.

Еволюція в науці на рубежі XIX - XX століть принесла чимало сенсаційних відкриттів, що зруйнували старі уявлення про неподільність атома, про сталість маси, про незмінність хімічних елементів і т.д. У 1895 році В. Рентген відкрив невидимі оком електромагнітні випромінювання, які проникають через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Ці промені були названі рентгенівськими. У 1896 році французький фізик А. Беккерель відкрив явище природної радіоактивності. Радіоактивне випромінювання свідчило про наявність усередині атома колосальних джерел енергії і про перетворюваність елементів. У 1897 році англійський фізик Дж. Томсон відкрив першу елементарну частинку - електрон. Відкриття радіоактивності і електрона висунули проблему внутрішньої будови атома. З'ясувавши, що електрон є складовою частиною атомів, Дж. Томсон запропонував у 1903 році першу (електромагнітну) модель атома. Відповідно до цієї моделі, негативно заряджені електрони розташовуються певним чином усередині позитивно зарядженої сфери. При стійкому стані атома електрони розташовуються концентричними шарами. Незважаючи на наївність цієї моделі, уявлення про шаруватому розташування електронів виявилося перспективним.

У 1904 році японський фізик Нагаока прийшов до висновку, що атом за своєю будовою нагадує Сонячну систему, де навколо позитивного ядра обертається кільце, що складається з великого числа електронів. Ця модель спочатку не привернула уваги фізиків, так як суперечила очевидним фактам. Однак у 1909 - 1910 рр.. англійський фізик Е. Резерфорд виявив, що в атомах існують ядра - позитивно заряджені мікрочастинки, розмір яких надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атомів. Але маса атома майже повністю зосереджена в його ядрі. Резерфорд розробив новий варіант планетарної моделі. У центрі атома розташоване ядро з розміром порядку 10 ^-13 см. Навколо нього обертаються електрони, число яких таке, що загальний заряд атома дорівнює нулю. Однак ця модель атома виявилася несумісною з електродинаміки Максвелла, згідно з якою працюють електрони повинні безупинно випромінювати електромагнітні хвилі, втрачати енергію і падати на ядро, що веде до нестійкості атома. Однак це в природі не спостерігається. Електрони, що рухаються по кругових орбітах навколо ядра, не тільки не падали на ядро, але і випромінювали не безперервно енергію, а лише певними порціями - квантами. Це явище пояснив німецький фізик М. Планк у своїй теорії, що отримала назву квантової.

У 1913 році датський фізик Н. Бор, спираючись на теорію М. Планка, розробив квантову модель атома. У її основу він поклав такі постулати: в будь-якому атомі існують діскетних (стаціонарні) стану, перебуваючи в яких атом енергію не випромінює; при переході атома з одного стаціонарного стану в інший він випромінює або поглинає порцію енергії.

Ядром революції в природознавстві на рубежі XIX - XX століть стало створення нової механіки. Розмірковуючи над тим, як примирити електромагнітну теорію Максвелла з класичною механікою, А. Ейнштейн у 1905 році прийшов до висновку, що принцип відносності справедливий не тільки в механіці, але і в оптиці і електродинаміки, а видозмінювати треба закони і принципи класичної механіки. Піддавши глибокому критичному аналізу концепцію абсолютного простору і часу, він створив спеціальну теорію відносності (її часто називають релятивістської). У ній розглядаються явища, для яких сили тяжіння слабкі або взагалі не існують. Спеціальна теорія відносності являє собою сучасну теорію простору і часу при русі зі швидкостями, близькими до швидкості світла. У 1916 році була створена загальна теорія відносності. Це вже теорія не тільки простору і часу, але і тяжіння. Вона відкрила реальність нашого викривленого чотиривимірного світу простору-часу. Гравітаційне поле може інтерпретуватися як наслідок викривленого простору.

Оскільки ми живемо в чотиривимірному світі, то поведінка матеріальних точок описується чотирма координатами і наочно уявити чотиривимірний викривлене простір просто неможливо.

Кривизна реального чотиривимірного фізичного світу змінюється від однієї області до іншої. Вона велика поблизу великих мас і випрямляється далеко від них. Одне з таких наслідків теорії відносності - уповільнення ходу часу тяжінням, тобто всі годинники в полі сили тяжіння повинні сповільнювати хід і тим більше, чим більше сила тяжіння, тобто більша кривизна простору в даній точці. Це було підтверджено з необхідною точністю тільки в 1960 році в 70 футової вежі Гарвардського університету.

Таким чином, наукова революція на межі XIX - XX століть характеризувалася не тільки виникненням нових ідей, відкриттям нових несподіваних фактів і явище, але і перетворенням духу природознавства в цілому, виникненням нового способу мислення, глибоким зміною методологічних принципів природознавства.

10. Передумови і основний зміст новітньої революції в природознавстві (XX ст.) Становлення сучасної науки

Новітня революція в природознавстві, що почалася в 90-х роках XIX століття і тривала до середини XX століття, була глобальної науковою революцією, подібної революції XVI - XVII ст. Почавшись у фізиці, вона потім проникла в інші природничі науки, кардинально змінивши філософські та методологічні основи науки, створивши феномен сучасної науки. Перший етап революції, охарактеризований нами вище, вніс значні зміни в уявлення про структуру матерії, її властивості та види.

Другий етап революції (сер. 20-х рр.. - 40-і рр.. ХХ ст.) Був пов'язаний з формуванням нової квантово-релятивістської картиною світу, що грунтується на двох фундаментальних теоріях цього періоду - квантової механіки і теорії відносності Ейнштейна. Усі попередні фундаментальні уявлення були оскаржені і замінені новими. Речовина більше не розглядалося як матеріальна субстанція, час не абсолютно і тече по-різному для об'єктів, які рухаються з різною швидкістю. Поблизу тяжіють мас час взагалі сповільнюється і при певних умовах може навіть зупинитися. Планети рухаються по своїх орбітах не тому, що їх притягує якась сила, що діє на відстані, але тому, що сам простір, в якому вони рухаються, викривлено. Субатомні об'єкти виявляли себе і як частки, і як хвилі, демонструючи двоїсту природу. Принцип невизначеності в корені підривав лапласовскій механістичний детермінізм.

Третій етап (40-і - 70-і рр.. ХХ ст.) Почався з оволодіння атомною енергією, створення ЕОМ і кібернетики, освоєння космосу та розвитку космонавтики та ін Наукова революція з'єднується з технічною революцією, що призводить до НТР. На лідируючі позиції поруч з фізикою починає претендувати біологія. Розвиток біосферного підходу призвело до нового розуміння феномена життя. Життя перестала сприйматися як випадкове явище у Всесвіті і перетворилася на закономірний етап саморозвитку матерії. Науки біосферного класу: грунтознавство, біогеохімія, біоценології, біогеографія вивчають системи, в яких відбувається взаємопроникнення живої та неживої природи.

Сутність НТР проявляється у перетворенні науки у безпосередню продуктивну силу суспільства, а самого виробництва - в просте технологічне застосування науки. Конкретно цей процес проявляється у впровадженні автоматизації керованих систем на основі електроніки, у використанні нових видів енергії (перш за все розвиток атомної енергетики), у збільшенні питомої ваги хімічної технології, пов'язаної з виробництвом матеріалів з ​​наперед заданими властивостями, космонавтика.

Починають формуватися нові уявлення про Всесвіт в цілому і про всіх її проявах з точки зору глобального еволюціонізму. Першими спробували поширити принцип еволюціонізму за межі біологічних наук фізики. Вони висунули гіпотезу розширення Всесвіту, визнавши неспроможність припущення про її стаціонарності. Всесвіт явно розвивається, починаючи з гіпотетичного Великого вибуху, який дав енергію для її формування та розвитку. Ця концепція була запропонована в 40-е і остаточно утвердилася в 70-і рр.. Сучасний еволюціонізм в біологічних науках знайшов свій вияв у пошуку закономірностей і механізмів еволюції відразу на багатьох рівнях організації живої матерії. Основна робота велася (і ведеться) на молекулярно-генетичному рівні, в результаті чого була створена синтетична теорія еволюції (синтез генетики і дарвінізму). Проникнення принципу еволюціонізму в геологію привів до утвердження концепції дрейфу континентів. Виник ряд дисциплін, які сформувалися саме завдяки застосуванню принципів розвитку і тому були еволюційні в самій своїй основі: біогеохімія, антропологія, екологія і т.д.

Одним з найважливіших результатів впровадження принципу глобального еволюціонізму було виникнення синергетики. Якщо в класичній науці панувало переконання, що матерії властива тенденція до зниження ступеня її впорядкованості, прагнення до рівноваги, тобто в енергетичному відношенні до хаотичності. Однак дослідження живих систем давало факти, які прямо суперечать цьому. Ступінь їх впорядкованості не тільки не спадала з часом, а навпаки, зростала. Поширення принципу еволюціонізму на всі рівні матерії зробив це протиріччя ще більш помітним. Стало очевидним, що для збереження цілісного несуперечливого уявлення про світ потрібно визнати, що в природі, у Всесвіті діє не тільки руйнівний, але і творчий принцип. Матерія здатна самоорганізовуватися і самоусложняться. Виникла теорія самоорганізації, яка стала розвиватися за кількома напрямами - синергетика (Г. Хакен), нерівноважна термодинаміка (І. Пригожин), теорія катастроф (Р. Том). Сформувавшись на базі фізичних дисциплін - термодинаміки, радіофізики та ін, в даний час синергетика має міждисциплінарний характер. Її ідеї підводять базу під глобальний еволюційний синтез, що здійснюється в науці.

У той же час у другій половині ХХ століття стала складатися парадоксальна ситуація: з одного боку, наука пред'явила вагомі докази своєї провідної ролі у суспільстві, з іншого боку, в культурі формувалося і розвивалося негативне ставлення до науки - антисциентизм. Використання наукових відкриттів для створення нових видів зброї і озброєння лиходіїв засобами масового знищення (від ядерної до хімічного і бактеріологічного), застосування наукових досягнень для маніпулювання свідомістю людей, спроби створення в суспільстві тотального комп'ютерного контролю, експерименти з генами тварин і людей тощо - все це змусило багатьох відмовитися від своєї колишньої беззастережної віри в науку. Все це свідчить про кризу культури і цивілізації і пов'язаної з ним переоцінки цінностей. При цьому піддаються серйозній критиці і уточнюються місце та роль науки, і, перш за все, природознавства і техніки, в житті суспільства.

Тема 5. Структурні рівні організації матерії

У сучасній науці в основі уявлень про будову матеріального світу лежить системний підхід, згідно з яким будь-який об'єкт матеріального світу, будь то атом, планета і т.д. може бути розглянуто як система - складне утворення, що включає складові частини, елементи і зв'язки між ними. Елемент у даному випадку означає мінімальну, далі неподільну частина даної системи.

Сукупність зв'язків між елементами утворює структуру системи, стійкі зв'язки визначають упорядкованість системи. Зв'язки по горизонталі - координуючі, забезпечують кореляцію (узгодженість) системи, жодна частина системи не може змінитися без зміни інших частин. Зв'язки по вертикалі - зв'язки субординації, одні елементи системи підкоряються іншим. Система має ознаку цілісності - це означає, що всі її складові частини, поєднуючись у ціле, утворюють якість, що не зводиться до якостей окремих елементів. Згідно сучасним науковим поглядам всі природні об'єкти є впорядковані, структуровані, ієрархічно організовані системи.

У самому загальному сенсі слова «система» означає будь-який предмет чи будь-яке явище оточуючого нас світу і являє собою взаємозв'язок і взаємодія частин (елементів) в рамках цілого. Структура - це внутрішня організація системи, яка сприяє зв'язку її елементів в єдине ціле і надає їй неповторні особливості. Структура визначає впорядкованість елементів об'єкта. Елементами є будь-які явища, процеси, а також будь-які властивості і відносини, що знаходяться в якій-небудь взаємного зв'язку і співвідношенні один з одним.

У розумінні структурної організації матерії велику роль грає поняття «розвиток». Поняття розвитку неживої і живої природи розглядається як необоротне спрямована зміна структури об'єктів природи, оскільки структура виражає рівень організації матерії. Найважливіша властивість структури - її відносна стійкість. Структура - це загальний, якісно певний і відносно стійкий порядок внутрішніх відносин між підсистемами тієї чи іншої системи. Поняття "рівень організації" на відміну від поняття "структура" включає подання про зміну структур та її послідовності в ході історичного розвитку системи з моменту її виникнення. У той час як зміна структури може бути випадковим і не завжди має спрямований характер, зміна рівня організації відбувається необхідним чином. Системи, які досягли відповідного рівня організації і мають певну структуру, набувають здатність використовувати інформацію для того, щоб за допомогою управління зберегти незмінним (або підвищувати) свій рівень організації та сприяти стабільності (або зменшення) своєї ентропії (ентропія - міра безладдя).

До недавнього часу природознавство, та інші науки могли обходитися без цілісного, системного підходу до своїх об'єктів вивчення, без урахування дослідження процесів утворення стійких структур і самоорганізації.

В даний час проблеми самоорганізації, що вивчаються в синергетики, набувають актуальний характер в багатьох науках, починаючи від фізики і кінчаючи екологією. Завдання синергетики - з'ясування законів побудови організації, виникнення упорядкованості. На відміну від кібернетики тут акцент робиться не на процесах управління та обміну інформацією, а на принципах побудови організації, її виникнення, розвитку та самоусложненія (Г. Хакен).

Питання про оптимальну впорядкованості та організації особливо гостро стоїть при дослідженнях глобальних проблем - енергетичних, екологічних, багатьох інших, які потребують залучення величезних ресурсів.

Сучасні погляди на структурну організацію матерії

У класичному природознавстві вчення про принципи структурної організації матерії було представлено класичним атомизмом. Ідеї ​​атомізму слугували фундаментом для синтезу всіх знань про природу. У XX столітті класичний атомізм піддався радикальним перетворенням.

Сучасні принципи структурної організації матерії пов'язані з розвитком системних уявлень і включають деякі концептуальні знання про систему та її ознаках, що характеризують стану системи, її поведінку, організацію і самоорганізацію, взаємодія з оточенням, цілеспрямованість і передбачуваність поведінки та ін властивості.

Найбільш простий класифікацією систем є розподіл їх на статичні і динамічні, яке, незважаючи на його зручність все ж умовно, тому що все в світі знаходиться в постійній зміні. Динамічні системи ділять на детерміністські і стохастичні (ймовірнісні). Ця класифікація заснована на характері передбачення динаміки поведінки систем. У першому випадку передбачення носять однозначний і достовірний характер. Такі системи досліджуються в механіці та астрономії. На відміну від них стохастичні системи, які зазвичай називають ймовірнісно - статистичними, мають справу з масовими або повторюваними випадковими подіями та явищами. Тому передбачення в них мають не достовірний, а лише імовірнісний характер.

За характером взаємодії з навколишнім середовищем розрізняють системи відкриті і закриті (ізольовані), а іноді виділяють також частково відкриті системи. Така класифікація носить в основному умовний характер, тому що уявлення про закритих системах виникло у класичній термодинаміці як певна абстракція. Переважна більшість, якщо не всі системи, є відкритими.

Багато складноорганізовані системи, що зустрічаються в соціальному світі, є цілеспрямованими, тобто орієнтованими на досягнення однієї або кількох цілей, причому в різних підсистемах і на різних рівнях організації ці цілі можуть бути різними і навіть прийти в конфлікт один з одним.

Класифікація і вивчення систем дозволили виробити новий метод пізнання, який отримав назву системного підходу. Застосування системних ідей до аналізу економічних і соціальних процесів сприяло виникненню теорії ігор і теорії прийняття рішень. Самим значним кроком у розвитку системного методу була поява кібернетики як загальної теорії управління в технічних системах, живих організмах і суспільстві. Хоча окремі теорії управління існували і до кібернетики, створення єдиного міждисциплінарного підходу дало можливість розкрити більш глибокі й загальні закономірності управління як процесу накопичення, передачі і перетворення інформації. Саме ж управління здійснюється за допомогою алгоритмів, для обробки яких служать комп'ютери.

Універсальна теорія систем, що зумовили фундаментальну роль системного методу, висловлює з одного боку, єдність матеріального світу, а з іншого боку, єдність наукового знання. Важливим наслідком такого розгляду матеріальних процесів стало обмеження ролі редукції в пізнанні систем. Стало ясно, що чим більше одні процеси відрізняються від інших, ніж вони якісно різнорідні, тим важче піддаються редукції. Тому закономірності більш складних систем не можна повністю зводити до законів нижчих форм або більше простих систем. Як антипод редукціоністського підходу виникає холістичний підхід (від грец. Holos - цілий), згідно з яким ціле завжди передує частинам і завжди важливіше частин.

Будь-яка система є ціле, утворене взаємопов'язаними і взаємодіючими його частинами. Тому процес пізнання природних і соціальних систем може бути успішним тільки тоді, коли в них частини і ціле будуть вивчатися не в протиставленні, а у взаємодії один з одним.

Сучасна наука розглядає системи як складні, відкриті, що володіють безліччю можливостей нових шляхів розвитку. Процеси розвитку і функціонування складної системи мають характер самоорганізації, тобто виникнення внутрішньо узгодженого функціонування за рахунок внутрішніх зв'язків та зв'язків із зовнішнім середовищем. Самоорганізація - це природничо вираз процесу саморуху матерії. Здатність до самоорганізації володіють системи живої та неживої природи, а також штучні системи.

У сучасній науково обгрунтованої концепції системної організації матерії зазвичай виділяють три структурних рівня матерії:

мегасвіт - світ космосу (планети, зоряні комплекси, галактики, метагалактики); світ величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань вимірюється світловими роками, а час мільйонами і мільярдами років;

макросвіт - світ стійких форм і пропорційних людині величин: земних відстаней і швидкостей, мас і обсягів; розмірність макрооб'єктів соотносима з масштабами людського досвіду - просторові величини від часток міліметра до кілометрів і часові виміри від часток секунди до років.

мікросвіт - світ атомів і елементарних часток - гранично малих безпосередньо неспостережуваних об'єктів, розмірність від 10 ^-8 см до 10 ^-16 см, а час життя - від нескінченності до 10 ^-24 с.

Вивчення ієрархії структурних рівнів природи пов'язане з рішенням складної проблеми визначення кордонів цієї ієрархії як в мегасвіті, так і в мікросвіті. Об'єкти кожному наступному рівні виникають і розвиваються внаслідок об'єднання та диференціації певних множин об'єктів попереднього ступеня. Системи стають все більш багаторівневими. Складність системи зростає не тільки тому, що зростає число рівнів. Істотне значення набуває розвиток нових взаємозв'язків між рівнями і з середовищем, загальною для таких об'єктів та їх об'єднань.

Мікросвіт, будучи підрівнем макросвіту і мегасвіті, володіє абсолютно унікальними особливостями і тому не може бути описаний теоріями, що мають відношення до інших рівнів природи. Зокрема, цей світ спочатку парадоксальний. Для нього не можна застосувати принцип «складається з». Так, при зіткненні двох елементарних частинок ніяких менших частинок не утворюється. Після зіткнення двох протонів виникає багато інших елементарних частинок - в тому числі протонів, мезонів, гіперонів. Феномен «множинного народження» частинок пояснив Гейзенберг: при зіткненні велика кінетична енергія перетворюється в речовину, і ми спостерігаємо множинне народження частинок. Мікросвіт активно вивчається. Якщо 50 років тому було відомо всього лише 3 типи елементарних частинок (електрон і протон як найдрібніші частинки речовини і фотон як мінімальна порція енергії), то зараз відкрито близько 400 часток. Друге парадоксальне властивість мікросвіту пов'язане з двоїстою природою мікрочастинки, яка одночасно є хвилею і корпускул. Тому її неможливо строго однозначно локалізувати у просторі та часі. Ця особливість відображена в принципі співвідношення невизначеностей Гейзенберга.

Спостережувані людиною рівні організації матерії освоюються з урахуванням природних умов проживання людей, тобто з урахуванням наших земних закономірностей. Однак це не виключає припущення про те, що на досить віддалених від нас рівнях можуть існувати форми і стану матерії, що характеризуються зовсім іншими властивостями. У зв'язку з цим учені почали виділяти геоцентричні і негеоцентріческіе матеріальні системи.

Геоцентричний світ - еталонний і базисний світ ньютонова часу і евклідова простору, описується сукупністю теорій, що відносяться до об'єктів земної масштабу. Негеоцентріческіе системи - особливий тип об'єктивної реальності, що характеризується іншими типами атрибутів, іншим простором, часом, рухом, ніж земні. Існує припущення про те, що мікросвіт і мегасвіт - це вікна в негеоцентріческіе світи, а значить, їх закономірності хоча б у віддаленій мірою дозволяють уявити інший тип взаємодій, ніж у макросвіті або геоцентричної типі реальності.

Ще одна типологія матеріальних систем має сьогодні досить широке поширення. Цей поділ природи на неорганічну і органічну, в якій особливе місце займає соціальна форма матерії. Неорганічна матерія - це елементарні частинки і поля, атомні ядра, атоми, молекули, макроскопічні тіла, геологічні утворення. Органічна матерія також має багаторівневу структуру: доклеточний рівень - ДНК, РНК, нуклеїнові кислоти; клітинний рівень - самостійно існуючі одноклітинні організми; багатоклітинний рівень - тканини, органи, функціональні системи (нервова, кровоносна тощо), організми (рослини, тварини); надорганізменних структури - популяції, біоценози, біосфера. Соціальна матерія існує лише завдяки діяльності людей і включає особливі підструктури: індивід, сім'я, група, колектив, держава, нація та інших

Основні поняття теми:

Розвиток - необоротне спрямована зміна структури об'єктів природи.

Структура - це відносно стійкий порядок внутрішніх відносин між підсистемами або елементами системи.

Система - певна цілісність, утворена сукупністю взаємодіючих частин, елементів.

Елементи - явища, властивості і відносини, що знаходяться у взаємозв'язку і співвідношенні один з одним в рамках деякої цілісності.

Рівень організації - певний етап в послідовній зміні структур в ході історичного розвитку системи з моменту її виникнення.

Мегасвіт - структурний рівень матерії, що включає світ космосу (планети, зоряні комплекси, галактики, метагалактики).

Макросвіт - світ стійких форм і пропорційних людині величин (світ земних відстаней і швидкостей, мас і обсягів).

Мікросвіт - світ атомів і елементарних частинок.

Геоцентричний світ - еталонний і базисний світ ньютонова часу і евклідова простору, описується сукупністю теорій, що відносяться до об'єктів земної масштабу.

Негеоцентріческій світ - особливий тип об'єктивної реальності, що характеризується іншими типами атрибутів, іншим простором, часом, рухом в порівнянні з нашим, земним світом.

Стохастичний - випадковий.

Самоорганізація - процес взаємодії елементів, в результаті якого відбувається виникнення нового порядку або структури в системі.

Тема 6. Макросвіт: речовина і поле. Принципи класичної фізики

1. Корпускулярна і континуальна концепції природи

На зміну натурфилософском підходу до опису природи приходить механічний. Він приніс великі успіхи, за винятком області оптичних та електромагнітних явищ, де механіка була безсила, повністю їх пояснити. У рамках свого механічного розуміння світу І. Ньютон створив корпускулярну теорію світла: світло - це потік матеріальних часток. Сяючі тіла випромінюють частки, що рухаються у відповідності з законами механіки, і викликають відчуття світла при попаданні в око. На основі цієї теорії Ньютон пояснював закони відбиття і заломлення світла.

Х. Гюйгенс (нідерландський учений) сформулював хвильову теорію, яка за аналогією з рухом хвиль на поверхні води пояснювала рух світла. У просторі існує пружне середовище - світлоносний ефір. Головний аргумент, який він наводив на захист своєї теорії, - факт перетину двох променів світла, які пронизують один одного так само як два ряди хвиль на воді. Проти цієї теорії був такий факт: хвилі обтікають перешкоду, а світловий промінь цього робити не може. Тінь від непрозорого предмета, розміщеного на шляху світла, має різкий кордон. Італійський фізик Грімальді з допомогою збільшувальних лінз виявив на кордонах тіні слабкі ділянки освітленості у вигляді переміжних світлих і темних смуг - ореолів. Це явище отримало назву дифракції світла (розламаний). Однак авторитет Ньютона був настільки високий, що саме його теорія світла мали визнання, хоча і не могла пояснити явище дифракції.

На поч. Х I Х ст. англійський фізик Т. Юнг і французький фізик О. Френель пояснили явище інтерференції - поява темних смужок при накладенні світла на світло. Парадокс: світло, доданий до світла, не обов'язково дає посилення, а може дати більш слабке світло або навіть темряву. Так як світло - це коливання пружного середовища, при накладенні хвиль в протилежних фазах вони знищують один одного, тому з'являються темні смуги.

В області електромагнітних явищ Фарадей і Максвелл показали неадекватність механічної моделі. Датський фізик Ерстед відкрив явище електромагнетизму: стрілка компаса, поміщеного над провідником, по якому йшов електричний струм, відхилялася. Фарадей ввів поняття «силові лінії». Він був переконаний, що оптика і електрику взаємопов'язані і утворюють єдину область - «поле сил». Максвелл дав математичну розробку ідеї Фарадея і розглядав поле як самостійну фізичну реальність. Фарадей запропонував гіпотезу, Максвелл створив теорію, а німецький фізик Герц дав експериментальне підтвердження. У фізиці остаточно утвердилося поняття «поле» як фізична реальність, новий вид матерії.

В кінці XIX ст. фізики прийшли до висновку, що матерія існує у вигляді дискретного речовини і безперервного поля. Речовина і поле різняться:

- Речовина дискретно, поле безперервно;

- Речовина володіє масою спокою, а поле - ні;

- Речовина малопроніцаемо, поле повністю проникності;

- Швидкість розповсюдження поля дорівнює швидкості світла, швидкість руху частинок на багато порядків менше.

Таким чином, речовина - вид матерії, що володіє корпускулярними властивостями, для його характеристики використовуються маса спокою, спін, заряд і ін; поле - вид матерії, який описується довжиною хвилі, фазою, амплітудою і їх змінами у просторі та часі. Поняття поля знайшло застосування і в механіці, де за його допомогою був пояснений феномен гравітації.

2. Детермінізм. Динамічні та статистичні закономірності

Всі явища і процеси у світі пов'язані між собою. Принцип детермінізму є вираженням цього взаємозв'язку і дає відповідь на питання, чи існує в світі впорядкованість і обумовленість всіх явищ, або ж світ є невпорядкований хаос. У механічній картині світу всі зв'язки між явищами носять однозначний характер, тому світом править необхідність, а випадковостям немає місця. П. Лаплас стверджував, що якби ми в даний момент знали про всі явища природи, то змогли б логічно вивести всі події майбутнього. Наслідком механістичного детермінізму є фаталізм.

Центральним поняттям детермінізму є «закон». Закон розуміється як об'єктивна, загальна, необхідна, що повторюється зв'язок між явищами.

Відмінною особливістю законів класичної механіки полягає в тому, що передбачення, отримані на їх основі, носять достовірний і однозначний характер. Вони отримали назву динамічних. Динамічні закономірності характеризують поведінку ізольованих, індивідуальних об'єктів і дозволяють встановити точно певний зв'язок між окремими станами об'єкта. Інакше кажучи, динамічні закономірності проявляються в кожному конкретному випадку строго однозначно. Механістичний детермінізм абсолютизував динамічні закономірності. Пізніше з'ясувалося, що не всі явища підпорядковуються динамічним законам. У механіці Ньютона і електродинаміки Максвелла панував класичний детермінізм, в рамках якого формуються динамічні закони, однозначно пов'язують фізичні параметри окремих станів об'єкта. Поряд з ними в науці з середини XIX століття стали все ширше застосовуватися закони іншого типу. Їх передбачення не є однозначними, а тільки вірогідними. Саме ця обставина довгий час служила перешкодою для визнання їх у науці як повноцінних законів. Вони розглядалися як допоміжний засіб для узагальнення та систематизації емпіричних фактів. Ці закони отримали назву статистичних.

Статистичні закономірності проявляються в масі явищ і мають форму тенденції. Ці закони називають ймовірними, оскільки вони описують стан індивідуального об'єкта лише з певною часткою ймовірності. Статистична закономірність виникає як результат взаємодії великого числа елементів і тому характеризує їх поведінку в цілому. Необхідність у статистичних закономірностях проявляється через дію безлічі випадкових факторів. Ці закони, як і динамічні, є вираженням детермінізму. Поняття ймовірності в рамках статистичного закону виражає ступінь можливості здійснення явища в конкретній сукупності умов. Імовірність є кількісне вираження можливості, шкала якої розташовується від 0 до 1. При ймовірності, яка дорівнює нулю, дана подія ніколи не настає, при ймовірності, що дорівнює одиниці, це подія настає в кожному конкретному випадку.

Оскільки динамічні закони висловлювали необхідний характер зв'язку, що забезпечує точність і достовірність передбачення, їх називали детерміністськими. Ця термінологія збереглася до нашого часу, коли статистичні закони за традицією називають индетерминистские, що не відповідає дійсності.

Отже, і динамічні, і статистичні закономірності висловлюють детермінізм. Проте це абсолютно різні форми.

Класичний, або лапласовскій, детермінізм заснований на представленні, згідно з яким весь навколишній світ - це величезна механічна система, тому всі майбутні стану її строго зумовлені її початковим станом. В основі цієї форми детермінізму лежать універсальні закони класичної фізики.

Імовірнісний детермінізм спирається на статистичні закони.

Коли порівнюють ці форми вираження регулярності в світі, то зазвичай звертають увагу на ступінь достовірності їх прогнозів. Строго детерміністські закони дають точні передбачення в тих областях, де можна абстрагуватися від складного характеру взаємодії між тілами, відволікатися від випадковостей і тим самим значно спрощувати дійсність. Однак таке спрощення можливо лише при вивченні простих форм руху. Коли ж переходять до дослідження складних систем, що складаються з великого числа елементів, індивідуальне поведінка яких важко піддається опису, тоді звертаються до статистичним законам, що спирається на ймовірні прогнози.

Таким чином, в сучасній концепції детермінізму органічно поєднуються необхідність і випадковість. Тому світ і події в ньому не є ні фаталістично зумовленими, ні чисто випадковими, нічим не обумовленими. Класичний детермінізм надмірно підкреслював роль необхідності за рахунок заперечення випадковості в природі і тому давав спотворене уявлення про картину світу. Визнання самостійності статистичних законів, що відображають існування випадкових подій, доповнює попередню картину суворо детерміністськими світу. У результаті цього необхідність і випадковість виступають як взаємопов'язані аспекти, випадковість розуміється як форма прояву необхідності. Таким чином, детермінізм стає імовірнісним.

3. Основні принципи термодинаміки. Значення законів термодинаміки в описі явищ природи

Статистичний опис природи знаходить своє втілення в термодинаміці. Термодинаміка базується на двох основних законах.

Закон збереження енергії. Він виконується у всіх явищах природи і підтверджується досвідом людства.

Q = U - A, де U - внутрішня енергія, A - робота.

Тепло, повідомлене системі, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії і на здійснення роботи проти зовнішніх сил. В іншій редакції цей закон звучить так: не можна побудувати діючу машину, яка б здійснювала роботу, більше підводиться до неї ззовні енергії (вічний двигун першого роду неможливий).

Теплові процеси протікають спонтанно тільки в певному напрямку, такі процеси називаються незворотними. Тобто тепло перетікає від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Другий закон термодинаміки вказує на існування двох форм енергії - теплоти (пов'язаної з неврегульованим, хаотичним рухом) і роботи, пов'язаної з упорядкованим рухом. Німецький фізик Р. Клаузіус використовував для формулювання другого закону термодинаміки поняття ентропії, яке згодом австрійський фізик Л. Больцман інтерпретував у термінах зміни ладу в системі. Коли ентропія системи зростає, то відповідно посилюється безлад (хаос) у системі.

Ентропія замкнутої системи, тобто системи, яка не обмінюється з оточенням ні енергією, ні речовиною, постійно зростає (другий початок термодинаміки).

Таким чином, такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу, хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій робота стає неможливою. У точці термодинамічної рівноваги ентропія максимальна. Оскільки про зміну систем в класичній термодинаміці ми можемо судити по збільшенню їх ентропії, то ентропія і виступає в якості своєрідної стріли часу.

Відмінність термодинамічної моделі від класичної механіки: незворотність часу.

Відмінність від еволюційної теорії Дарвіна: еволюція - це природний відбір і ускладнення організації систем; термодинамічна ж система рухається до дезорганізації систем.

Першу спробу поширити закони термодинаміки на Всесвіт зробив Р. Клаузіус, висунувши два постулати:

1. Енергія Всесвіту завжди постійна.

2. Ентропія Всесвіту завжди зростає.

Всі процеси у Всесвіті спрямовані у бік термодинамічної рівноваги - стану, що характеризується найбільшим ступенем хаосу, безладу та дезорганізації. У Всесвіті має настати «теплова смерть».

Живі організми, будучи відкритими системами, постійно обмінюються з навколишнім середовищем речовиною та енергією; отримуючи енергію, організми впорядковуються, тобто знижується ентропія. Але якщо розглядати систему «організм - середовище» в цілому, ентропія постійно зростає.

Закони класичної механіки суворо інваріантні, незмінні щодо зміни знака часу: заміна «+ t» на «-t» нічого в них не міняє. Тому й кажуть, що механіка оборотна. Якщо ми абсолютно точно знаємо початкові координати і імпульси частинок, то можемо дізнатися скільки завгодно далеке минуле і як завгодно далеке майбутнє системи. Звичайно, практично це здійснити неможливо, жоден комп'ютер не впорається з таким завданням. Головне те, що ми можемо це зробити теоретично. У світі ньютонівської механіки всі події раз і назавжди визначені, це світ суворого детермінізму, в ньому немає місця випадковостям.

А ось відповідно до другого початку термодинаміки, в ізольованій системі всі процеси протікають тільки в одному напрямку - до максимальної ентропії, зростанням хаосу, що супроводжується розсіюванням енергії. Проблема, яка вимагала свого рішення, виглядала так: як можна вивести незворотність термодинаміки з оборотності механіки?

Цю проблему намагався вирішити в другій половині XIX століття Л. Больцман. Він звернув увагу на те, що термодинамічна незворотність має сенс тільки для великої кількості частинок: якщо частинок мало, то система виявляється фактично оборотного. Для того щоб узгодити мікроскопічну оборотність з макроскопічної необоротністю, Больцман використовував імовірнісний опис системи. Однак незабаром було показано, що вже саме по собі імовірнісний опис у неявному вигляді містить уявлення про існування "стріли часу", і тому доказ Больцмана не можна вважати коректним вирішенням проблеми.

Сам Больцман прийшов до висновку, що вся нескінченна Всесвіт у цілому оборотна, а наш світ являє собою за космічними мірками мікроскопічну флуктуацію. А в середині XX століття пулковський астроном Н.А. Козирєв спробував створити необоротну механіку, в якій "стріла часу" має характер фізичної реальності і є джерелом енергії зірок. Але точка зору Больцмана допускає можливість порушення причинності в окремих досить великих областях Всесвіту, а точка зору Козирєва вводить в опис природи якусь особливу фізичну сутність, подібну «життєву силу».

4. Основні поняття, закони і принципи класичної фізики

Класична фізика розуміється як фундаментальна база дослідження макрооб'єктів. Для ілюстрації цього положення розглянемо наступний приклад. Як рухається автомобіль? Поступальний рух поршнів в циліндрах перетворюється в обертальний рух коліс. Колеса відштовхуються від поверхні дороги, і в результаті автомобіль переміщається в просторі по відношенню до оточуючих предметів. Всі ці процеси вивчає «Механіка». Початком «ланцюжка» механічних рухів є рух поршня, який штовхає газоподібна суміш у камері згоряння. Процеси в газах вивчає «Молекулярна фізика». Частина енергії робочої суміші перетвориться в енергію поршня, а частина «викидається» у вигляді теплоти разом з відпрацьованими газами, витрачається на подальше стиснення робочої суміші і т.д. Ці енергетичні процеси, від яких залежать ККД і потужність двигуна, вивчає «Термодинаміка». Електромагнітні процеси в системі запалювання вивчає «Електродинаміка». Оскільки ці процеси формуються за допомогою транзисторів мікросхем та інших пристроїв, які засновані на квантових явищах, то вони вивчаються «Квантової фізикою».

Таким чином, рух автомобіля являє собою суму найрізноманітніших явищ. Різні спеціальні дисципліни вивчають окремі явища, агрегати і вузли автомобіля. Це пов'язано з їх складністю і призвело до диференціації науки. Однак найперше опис руху автомобіля пов'язане з основними законами класичної фізики.

Найпростіший вид руху матерії в макросвіті - це переміщення тіл по відношенню до інших тіл. Для його опису використовуються основні поняття кінематики: рух, швидкість, прискорення, відносність руху, система відліку, матеріальна точка, траєкторія і т.п. і основні закони, що пояснюють механічний рух, - закони Ньютона:

Будь-яке тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, поки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан. (Закон інерції).

Зміна кількості руху пропорційно прикладеній діючій силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє (другий закон - головний закон динаміки).

Дія завжди є рівна і протилежно спрямована протидія, тобто взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони (третій закон).

Відповідно до законів механіки - основною причиною руху є дія сил. Тому аналізу поняття сили в класичній фізиці приділяється велика увага. Сили діляться на: силу пружності (вона пов'язана з деформацією тіл) і силу тертя. Природа цих сил пов'язана з електричним взаємодією між атомами; силу тяжіння (її називають силою тяжіння, під її дією вільні тіла падають на Землю). Сила тяжіння часто проявляється у вигляді ваги - сили, з якою тіло діє на опору; силу інерції.

Існують різні форми руху матерії (механічна, теплова, електрична і т.д.), які можуть переходити один в одного. Тому фізика використовує найважливіше поняття, що виражає міру переходу одних форм руху в інші, - це енергія. Найважливіші закони класичної фізики - закони збереження:

Закон збереження енергії: енергія не знищується і не створюється, а може лише переходити з однієї форми в іншу.

Закон збереження імпульсу: якщо сума зовнішніх сил дорівнює нулю, імпульс системи тіл залишається постійним при будь-яких відбуваються в ній.

У сучасній фізиці ці найважливіші закони зберігають своє фундаментальне значення, вони виконуються завжди і скрізь, не тільки в макросвіті, але і в космосі й у мікросвіті.

Незважаючи на те, що класична термодинаміка була складовою частиною класичної фізики, односпрямованість теплових процесів принципово відрізняла їх від механічних. Будь-яке механічне рух оборотно, тобто може відбуватися як у прямому, так і в зворотному напрямі через ті ж проміжні стани: обертання маховика, хитання маятника і т.п. При цьому в рівняннях руху змінюється лише знак часу: замість

t слід використовувати - t. Це означає, що механічний рух симетрично по відношенню до зміни знака часу. Теплові процеси в цьому сенсі істотно відрізняються: вони незворотні, не симетричні по відношенню до зміни знака часу. Час завжди тече в одну сторону, так звана «стріла часу».

Усі реальні процеси протікають зі збільшенням ентропії, тобто ведуть до встановлення теплової рівноваги. З цього випливає, що всяка впорядкованість в навколишньому світі поступово зникає, щільності частинок і температури вирівнюються, енергія розсіюється, з часом припиняється взагалі всяке спрямований рух, всяке життя, залишиться тільки молекулярний хаос. Довгий час уми не тільки фізиків, а й філософів займала ідея теплової смерті Всесвіту.

Співіснували концепції опису природи - корпускулярна і континуальна - взаємовиключні один одного, тому що вважалося, що вони відносяться до різних сфер реальності. Тому виявлення подвійної природи в одних і тих же об'єктів означало для класичної фізики потрясіння всіх її основ і отримало назву «кризи фізики».

Основні поняття теми:

Корпускулярна концепція природи описує всі явища і процеси природи як рух частинок.

Континуальна концепція природи описує всі явища і процеси як

Речовина - вид матерії, що володіє корпускулярними властивостями.

Поле - вид матерії, який є взаємодія часток і описується довжиною хвилі, фазою й амплітудою.

Динамічні закономірності відображають об'єктивну закономірність у формі однозначного зв'язку фізичних величин, що виражаються кількісно.

Статистичні закономірності відображають об'єктивну закономірність у формі результату взаємодії великого числа елементів і тому характеризують їх поведінку в цілому.

Закриті (замкнуті) системи - системи, які не обмінюються зі своїм оточенням ні масою, ні енергією.

Ентропія - міра безладу в системі.

I-е початок термодинаміки - закон збереження енергії.

II-е початок термодинаміки - ентропія замкнутої системи постійно зростає.

«Теплова смерть Всесвіту» - спрямованість усіх процесів у Всесвіті до точки термодинамічної рівноваги.

Тема 7. Відкриті системи і некласична термодинаміка

1. Закриті та відкриті системи. Ентропія, порядок і хаос

За характером взаємодії з навколишнім середовищем розрізняють системи відкриті і закриті (ізольовані), а іноді виділяють також частково відкриті системи. Вперше уявлення про закритих системах виникло у класичній термодинаміці і являло собою певну абстракцію, тому що переважна більшість, якщо не всі системи, є відкритими.

Для опису енергетичних процесів у закритих системах використовувалося поняття ентропії (у перекладі з грец. - Поворот, перетворення) і означало міру незворотного розсіювання енергії. Л. Больцман, інтерпретував це поняття з точки зору зміни ладу в системі, зв'язав поняття: ентропія, порядок, хаос.

Поняття ентропії виявилося пов'язано з процесами еволюції в системі. Однак еволюція, поняття якої утвердилося в біології, була пов'язана з ускладненням організації, в той час як еволюція в термодинаміці пов'язувалася з дезорганізацією систем. Це протиріччя залишалася нерозв'язним аж до 60-х рр.. XX століття, поки не з'явилася нерівноважна термодинаміка.

Процеси, які відбуваються в різних явищах природи, стали розділяти на два класи. До першого відносяться процеси, що протікають в замкнутих системах. Вони розвиваються в напрямку зростання ентропії і призводять до встановлення рівноважного стану в системі. До другого класу відносяться процеси, що протікають у відкритих системах. У відкритих системах також проводиться ентропія, оскільки в ній відбуваються незворотні процеси, але ентропія в цих системах не накопичується, як в закритих, а виводиться в навколишнє середовище. Оскільки ентропія характеризує міру безладдя у системі, остільки можна сказати, що відкриті системи живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища. У відповідні моменти - моменти нестійкості - у них можуть виникати малі флуктуації (відхилення від рівноваги), здатні розростатися в макроструктури. У нерівноважних термодинамічних системах можливі стани, що призводять не до зростання ентропії і прагненню термодинамічних систем до рівноважного хаосу, а до «мимовільного» виникненню упорядкованих структур, до народження порядку з хаосу. У цьому випадку хаос виступає в ролі активного початку процесу самоорганізації. Самоорганізація - це процес мимовільного формування структури більш складною, ніж первісна. Структури, що утворюються в процесі самоорганізації, називаються дисипативними структурами.

Таким чином, формується нове уявлення про хаос, яка перестає нести негативний зміст. У традиційному розумінні хаос - це безладдя, дезорганізація. У новому розумінні хаос - вища форма, де випадковість і безсистемні імпульси стають організуючим принципом.

Головним напрямком фізичної науки XX століття вважалася фізика елементарних частинок, яка досліджувала структуру матерії при найбільш високих енергіях, малих масштабах і коротких відрізках часу і породила сучасні теорії про природу фізичних взаємодій і походження Всесвіту. Проте вона так і не змогла відповісти на деякі фундаментальні питання: як зародилося життя, що таке турбулентність, як у Всесвіті, що підкоряється закону підвищення ентропії і невблаганно рухається до все більшого безладу, може виникнути порядок?

Стівен Хокінг, декан фізичного факультету Кембріджського університету, лауреат Нобелівської премії, космолог, в 1980 р. виступив з оглядовою лекцією, присвяченій розвитку теоретичної фізики і названою «Не наступає кінець фізичної теорії?». Він висловив думку багатьох вчених про те, що розуміння законів природи в термінах добре освоєної фізики елементарних частинок залишило без відповіді запитання про те, як застосувати ці закони до будь-яких систем, крім найпростіших. Тільки виникнення науки про хаос дозволило остаточно звільнити фізику з пут ньютонівського бачення світу. Завершилася революція у фізиці: теорія відносності впоралася з ілюзіями Ньютона про абсолютність простору-часу, квантова механіка розвінчала мрію про детермінізм фізичних подій, і, нарешті, теорія хаосу розвінчала фантазію Лапласа про повну зумовленість розвитку систем.

Починаючи з середини 70-х років ХХ століття вчені усвідомили, що досить прості математичні рівняння дозволяють моделювати системи, настільки ж невпорядковані, як самий бурхливий водоспад. Дослідники в США, Європі і в тому числі в Росії почали наполегливо і копітко вивчати хаотичні явища. Математики, фізики, біологи, хіміки стали шукати зв'язку між різними типами безладного в природі. У результаті було встановлено, що отримані закономірності мають пряме відношення до безлічі природних явищ - від обрисів хмар, конфігурації сіточок кровоносних судин до скупчень зірок у Галактиці і т.д.

2. Концепція «Тепловий смерті Всесвіту»

Класична термодинаміка виявилася нездатною вирішити космологічні проблеми, пов'язані з термодинамічними процесами. Першу спробу поширити закони термодинаміки на весь Всесвіт зробив Р. Клаузіус. Він висунув два постулати:

• енергія Всесвіту завжди постійна;

• ентропія Всесвіту завжди зростає.

Якщо прийняти другий постулат, то необхідно визнати, що всі процеси у Всесвіті направлені в бік досягнення стану термодинамічної рівноваги, відповідного максимальної ентропії. Для цього стану характерне найбільша ступінь хаосу, безладу та дезорганізації. У такому разі у Всесвіті настане теплова смерть, зникнення температурних відмінностей і перетворення всієї світової енергії в теплоту, рівномірно розподілену у Всесвіті.

Такі похмурі прогнози зустріли критику з боку багатьох вчених і філософів, але в середині XIX століття було ще мало наукових аргументів для спростування цієї концепції та обгрунтування альтернативного погляду. Основні положення концепції «Тепловий смерті Всесвіту» по суті зводилися до положень, які представляють собою складні для проблеми навіть для сучасної науки. Це - по-перше, Всесвіт розглядається як замкнута система, по-друге, еволюція Всесвіту може бути описана як зміна її станів, по-третє, для світу як цілого стан з максимальною ентропією має сенс, як і для будь-якої кінцевої системи.

Тому перші заперечення проти цієї концепції були пов'язані з поданням про Всесвіт не як замкнутої системи, а як системи, що перебуває у змінному гравітаційному полі.

Одним із перших фізиків, що намагалися уявити майбутнє Всесвіту, був також і Л. Больцман. Він спробував застосувати до замкнутої Всесвіту поняття флуктуації. Під флуктуацією фізичної величини розуміється відхилення істинного значення величини від її середнього значення, обумовленого хаотичним тепловим рухом частинок системи. Згідно так званому обмеження Максвелла для невеликого числа частинок другий початок термодинаміки не повинно застосовуватися, оскільки в цьому випадку про тепловій рівновазі не можна говорити. Тому Больцман стверджує, що раз ми маємо справу лише з видимою частиною Всесвіту, яка представляє собою невелику область нескінченного Всесвіту, то до всього Всесвіту не можна застосовувати другий початок термодинаміки. Для цієї невеликої області допустимі відхилення від рівноваги (флуктуації), в результаті чого в цілому зникає необоротна еволюція Всесвіту у напрямку до хаосу. Формулюючи свою флуктуаційну гіпотезу, Больцман виходив з припущення, що Всесвіт вже досягла стану термодинамічної рівноваги. Але внаслідок виникнення в невеликих областях Всесвіту мікроскопічних відхилень від стану рівноваги (флуктуацій) ці зони знаходяться в станах, ймовірності яких зростають і зменшуються.

Критика концепції «Тепловий смерті Всесвіту» здійснювалася за трьома напрямами:

1) у зв'язку з припущенням про те, що поряд з ентропійними процесами в природі відбуваються антіентропійний процеси, які перешкоджають настанню «теплової смерті» (в т.ч. Больцман).

2) у зв'язку з сумнівом в правомірності поширення понять термодинаміки з окремих систем на весь Всесвіт в цілому.

3) у зв'язку зі створенням синергетичного бачення Всесвіту і її еволюції.

У 1965 р. Джон Стюарт Белл опублікував теорему, що отримала назву «Про нелокальності причин». Белл вважав, що деякі причини не можуть бути ізольовані одна від одної, у Всесвіті все взаємопов'язане. Теорема свідчить, що ізольованих систем не існує, і що система, навіть розділена на частини величезними відстанями, між якими відсутні сигнали, поля, механічні сили, енергії і т.д., функціонує як єдина система. Розвиваючи цю ідею, американський вчений Девід Бом у своїй космології стверджував, що реальність єдина і являє собою неподільну цілісність, що лежить в основі всього Всесвіту, породжуючи, підтримуючи і контролюючи всі шляхом постійного зв'язку з усім в глибинній структурі цілого.

3. Нерівноважна термодинаміка. Народження синергетики

Класична термодинаміка розглядала ізольовані системи, які прагнуть до рівноважного стану, або ж частково відкриті системи, що знаходяться поблизу від точки термодинамічної рівноваги. Тому для опису процесів самоорганізації використовувати поняття класичної термодинаміки не представлялося можливим. Необхідно було ввести нові поняття і принципи, які б адекватно описували реальні процеси самоорганізації, що відбуваються в природі.

Найбільш фундаментальним з них є поняття відкритої системи, яка здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією або інформацією. Оскільки між речовиною і енергією існує взаємозв'язок, остільки можна сказати, що система в ході своєї еволюції виробляє ентропію, яка, однак, не накопичується в ній, а розсіюється в навколишньому середовищі. Замість неї з середовища надходить свіжа енергія і саме внаслідок такого безперервного обміну ентропія системи може не зростати, а залишатися незмінною або навіть зменшуватися. З цього випливає, що відкрита система не може бути рівноважної, її функціонування вимагає безперервного надходження енергії та речовини з зовнішнього середовища, внаслідок чого нерівновага в системі посилюється. У результаті колишня взаємозв'язок між елементами системи (колишня структура) руйнується. Між елементами системи виникають нові когерентні (узгоджені) відносини, які призводять до кооперативних процесів і до колективного поведінки її елементів.

Матеріальні структури, здатні розсіювати енергію, називаються дисипативними. Прикладом може служити самоорганізація, яка виникає в хімічних реакціях. Вона пов'язана з надходженням ззовні нових реагентів, тобто речовин, що забезпечують продовження реакції і виведення в навколишнє середовище продуктів реакції. Зовні самоорганізація проявляється тут у появі в рідкому середовищі концентричних хвиль або в періодичному зміні кольору розчину, наприклад, з синього на червоний і назад («хімічні годинник»). Ці реакції вперше були досліджені вітчизняними вченими В. Білоусовим та А. Жаботинським. На їх експериментальній основі групою бельгійських вчених на чолі з І. Пригожиним була побудована теоретична модель, названа брюсселятором (від назви міста Брюссель). Ця модель лягла в основу досліджень нової термодинаміки, яку назвали нерівноважної, або нелінійної. Відмінна риса моделей, що описують відкриті системи і процеси самоорганізації, полягає в тому, що в них використовуються нелінійні математичні рівняння.

Вивчаючи процеси самоорганізації, що відбуваються в лазері, німецький фізик Герман Хакен назвав новий напрям досліджень синергетикою, що в перекладі з давньогрецької означає спільне, узгоджену дію. Синергетика пояснює процес самоорганізації наступним чином:

1. Відкрита система повинна знаходитися достатньо далеко від точки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в точці рівноваги, то вона має максимальною ентропією і тому нездатна до будь-якої організації. У цьому стані вона досягає максимуму дезорганізації. Якщо ж система знаходиться поблизу від точки рівноваги, то з часом вона наблизиться до неї і, врешті-решт, прийде в стан повної дезорганізації.

2. Якщо впорядкує принципом для закритих систем є еволюція в бік збільшення їх ентропії, тобто безладу, то фундаментальним принципом самоорганізації є виникнення і посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації (випадкові відхилення системи від деякого середнього положення) на самому початку функціонування системи придушуються і ліквідуються нею. Однак у відкритих системах завдяки посиленню нерівноважності ці відхилення з часом зростають і, врешті-решт, призводять до «розвалу» колишнього порядку і виникнення нового порядку. Цей принцип зазвичай називають як принцип утворення порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації носять випадковий характер, а саме з них починається виникнення нового порядку і структури, остільки поява нового в світі завжди пов'язане з дією випадкових факторів.

4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому грунтується управління та збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації спирається на принцип позитивного зворотного зв'язку. Згідно з цим принципом зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а накопичуються і посилюються, що призводить в результаті до виникнення нового порядку і структури.

5. Процеси самоорганізації супроводжуються порушенням симетрії, властивої для закритих рівноважних систем. Для відкритих систем характерна асиметрія.

6. Самоорганізація можлива лише у системах, що мають достатню кількість взаємодіючих між собою елементів. В іншому випадку ефекти від синергетичного взаємодії будуть недостатні для появи кооперативного (колективного, узгодженого) поведінки елементів системи та виникнення процесу самоорганізації.

Це - необхідні, але не достатні умови для виникнення самоорганізації в системі. Чим вище рівень організації системи, чим вище вона знаходиться на еволюційних сходах, тим більш складними і численними виявляються фактори, які призводять до самоорганізації.

Нове розуміння хаосу знайшло своє вираження в знаменитому «ефект метелика», сформульованому Едвардом Лоренцо, вченим-метеорологом. «Ефект метелика» говорить: Рух крила метелика у Перу через серію непередбачуваних і взаємозалежних подій може посилити рух повітря і, в підсумку, привести до урагану в Техасі.

Про це ж говорив ще на початку XX століття знаменитий математик Анрі Пуанкаре. Він прийшов до висновку, що зовсім незначна величина, в силу цього вислизає від нашої уваги, викликає значне дію, яке ми не могли і передбачити.

Здавалося б, все говорить про торжество випадку над зумовленістю. Однак те, що ми називаємо «випадковістю» являє собою якийсь порядок, що видає себе за випадковість, порядок, законів якого наука поки що не може пояснити. З'явився новий термін - атрактор, який допомагає зрозуміти, що відбуваються.

І. Пригожин, лауреат Нобелівської премії, в книзі «Час, хаос, квант» пише: «При дослідженні того, як просте відноситься до складного, ми вибираємо як дороговказною нитки поняття« аттрактора », тобто кінцевого стану або ходу еволюції дисипативної системи ... Поняття аттрактора пов'язано з різноманітністю дисипативних систем ... Ідеальний маятник (без тертя) не має аттрактора і коливається нескінченно. З іншого боку, рух реального маятника - дисипативної системи, рух якої включає тертя, - поступово зупиняється в стані рівноваги. Це положення є аттракторів ... У відсутності тертя аттрактор не існує, але навіть найслабше тертя радикально змінює рух маятника і вводить аттрактор ». Для більшої наочності Пригожин наділяє ідею в геометричну форму. Тоді кінцева точка руху маятника - аттрактор - представляє собою фінальне стан будь-якої траєкторії в просторі.

Однак не всі дисипативні системи еволюціонують до однієї-єдиної кінцевій точці, як у випадку з реальним маятником. Є системи, які еволюціонують не до якого-небудь стану, а до сталого періодичному режиму. У цьому випадку аттрактор не крапка, а лінія, що описує періодичні в часі зміни системи. Були побудовані зображення атракторів, які представляють собою не крапку або лінію, а поверхня або об'єм. Повною несподіванкою стало відкриття так званих дивних атракторів. На відміну від лінії чи поверхні, дивні атрактори характеризуються не цілими, а дробовими просторами.

Найбільш чітку класифікацію атракторів дав американський вчений Білл М. Вільямс, який близько сорока років проводив дослідження хаотичних процесів ринку. У його дослідженні з'єдналися досягнення фізики, математики та психології. Він стверджує, що всіма зовнішніми явищами керують чотири сили, извлекающие порядок з безладдя, що отримали назву атракторів:

• Точковий аттрактор;

• Циклічний (кругом) аттрактор;

• аттрактор Торас;

• Дивний атрактор.

Точковий аттрактор - аттрактор перший розмірності - це найпростіший спосіб привнести порядок в хаос. Він живе в першому вимірі лінії, яка складена з нескінченного числа точок. Він характеризується як якась спрямованість. Так, в людській поведінці Точковий аттрактор створює психологічну фіксацію на одному бажанні (чи небажанні), і все інше відкладається до тих пір, поки не буде задоволено (знищено) це бажання.

Циклічний аттрактор живе в другому вимірі площині, яка складається з нескінченного числа ліній. Їм характеризується ринок, укладений у коридор, де ціна рухається вгору і вниз у певному діапазоні протягом певного проміжку часу. Цей аттрактор більш складний і є структурою для більш складного поведінки.

Аттрактор Торас - ще більш складний аттрактор. Він починає складну циркуляцію, яка повторює себе в міру руху вперед. У порівнянні з двома попередніми аттрактор Торас вводить велику ступінь безладності, і його моделі більш складні. Графічно він виглядає як кільце або рогалик, він утворює, спіралеподібні кола на ряді різних площин і іноді повертається до себе, завершуючи повний оборот. Його основна риса - це повторюване дію.

Дивний атрактор з четвертого виміру. Те, що поверхневий погляд сприймає як абсолютний хаос, в якому не помітно ніякого порядку, має певний порядок, що базується на Дивному аттрактору. Його можна побачити, тільки якщо спостереження ведеться з четвертого виміру. Його можна представити як безліч пульсуючих ліній в тривимірному просторі, подібних вібруючим струнах. Чотиривимірного Дивного аттрактора виходить за рахунок додавання пульсацій (вібрацій). Найважливішою характеристикою Дивного аттрактора є чутливість до початкових умов («Ефект метелика»). Найменше відхилення від початкових умов може призвести до величезних відмінностей в результаті.

Вільямс стверджує, що, коли ми перебуваємо під дією перших трьох атракторів, нами маніпулюють, і ми стаємо передбачуваними. Тільки в динаміці Дивного аттрактора ми можемо бути дійсно вільними. Дивний атрактор організовує прекрасний світ спонтанності і свободи.

Для опису складних систем була створена нова геометрія. У 1975 р. Бенуа Мандельброт ввів поняття фрактал (від лат. - Розколотий) для позначення нерегулярних, але самоподібних структур. Виникнення фрактальної геометрії пов'язане з виходом в 1977 р. книги Мандельброта «Фрактальна геометрія природи». Він писав: «Фрактали називається структура, що складається з частин, які в чомусь подібні цілого».

Фрактальна геометрія «побачила» парадокси, які поставили в глухий кут багатьох математиків XX століття. Це і парадокс «берегової лінії», парадокс «сніжинка» і ін

Що це за незвичайна «сніжинка»? Уявімо собі рівносторонній трикутник. Подумки розділимо кожну його сторону на три рівні частини. Приберемо середню частину на кожній стороні і замість неї приставив рівносторонній трикутник, довжина сторони якого становить одну третину від довжини вихідної фігури. Отримаємо шестикутну зірку. Вона утворена вже не трьома відрізками певної довжини, а дванадцятьма відрізками довжиною в три рази менше вихідної. І вершин у неї вже не три, а шість. Повторимо цю операцію знову і знову, число деталей в утвореному контурі буде рости і рости. Зображення набуває вигляду сніжинки. Зв'язкова лінія, складена з прямих (або криволінійних) ділянок і названа кривої Коха, володіє цілим рядом особливостей. Перш за все, вона являє собою безперервну петлю, ніколи не що перетинає саму себе, тому що нові трикутники на кожній стороні достатньо малі і тому не стикаються один з одним. Кожне перетворення додає трохи простору всередині кривої, однак її загальна площа залишається обмеженою і фактично лише незначно перевищує площу початкового трикутника. І, крім того, крива ніколи не вийде за межі кола, описаного біля нього. Крива Коха нескінченної довжини тісниться в обмеженому просторі! При цьому вона представляє собою вже щось більше, ніж просто лінія, але все ж це ще не площину.

Отже, фрактали - це геометричні фігури з набором дуже цікавих особливостей: дроблення на частини, подібні цілого, чи одне і те ж перетворення, що повторюється при зменшуються масштаби. Їм притаманні изломанность і самоподібність. Фрактальность - це міра неправильності. Наприклад, чим більше вигинів і поворотів має річка, тим більше її фрактальное число. Фрактали можуть бути лінійними і нелінійними. Лінійні фрактали визначаються лінійними функціями, тобто рівняннями першого порядку. Вони виявляють самоподібність в самому нехитрому вигляді: будь-яка частина є зменшена копія цілого. Більш різноманітним є самоподібність нелінійних фракталів: у них частина є не точна, а деформована копія цілого. Фрактали описують весь реальний світ.

Виходячи з ідеї розмірності, Мандельброт прийшов до висновку, що відповідь на питання: скільки вимірів має той чи інший об'єкт, залежить від рівня сприйняття. Наприклад, скільки вимірів має клубок мотузки? З величезного відстані він виглядає точкою, що має нульову розмірність. Наблизимося до клубка і виявимо, що це сфера, і в неї три виміри. На ще більш близькій відстані стає помітною сама мотузка, а об'єкт набуває один вимір, але скручений таким чином, що задіюється тривимірний простір. Під мікроскопом виявимо, що мотузка складається з скручених протяжних тривимірних об'єктів, а ті, у свою чергу, з одновимірних волокон, речовина яких розпадається на частки з нульовою розмірністю. Тобто залежно від нашого сприйняття розмірність мінялася так: нульова - тривимірна - одномірна - тривимірна - одномірна - нульова.

Фізичні системи з фрактальною структурою мають унікальні властивості. Фрактали інакше розсіюють електромагнітне випромінювання, по - іншому коливаються і звучать, інакше проводять електрику т.д.

Як не парадоксально, відкриття фрактальних множин не тільки встановило існування непрогнозованих процесів, але й навчило людини ними управляти, оскільки нестійкість хаотичних систем робить їх надзвичайно чутливими до зовнішнього впливу. При цьому системи з хаосом демонструють дивовижну пластичність. Дерево росте і гілкується вгору, але як точно вигнута його гілки, ніхто не скаже. Ось чому йдеться, що світ створений з хаосу.

Основні поняття теми:

Самоорганізація - процес самовільного формування структури більш складною, ніж первісна.

Хаос - стан, в якому випадковість і безладність стають організуючим принципом.

Порядок - організованість системи.

Рівноважна термодинаміка вивчає замкнуті системи, в яких процеси відбуваються в бік зростання ентропії, тобто утворення безладу.

Нерівноважна термодинаміка вивчає відкриті складно організовані системи, в яких відбувається самоорганізація.

Аттрактор - кінцевий стан або фінал еволюції дисипативної системи.

Дисипативні системи - системи, повна енергія яких при русі убуває, переходячи в інші види руху, наприклад, в теплоту.

Точка термодинамічної рівноваги - стан з максимальною ентропією.

Флуктуації - випадкові відхилення системи від деякого середнього положення.

Відкрита система - система, яка обмінюється зі своїм оточенням речовиною, енергією або інформацією.

Тема 9. Мікросвіт. Квантова фізика

1. Відкриття мікросвіту. Принципи квантової фізики

Фундаментальні відкриття в галузі фізики кінця XIX - початку ХХ ст. виявили, що фізична реальність єдина і має як хвильовими властивостями, так і корпускулярними. Досліджуючи теплове випромінювання, М. Планк прийшов до висновку, що в процесах випромінювання енергія віддається не в будь-яких кількостях і безперервно, а лише певними порціями - квантами.

Квант - найдрібніша постійна порція випромінювання.

Ейнштейн поширив гіпотезу Планка про тепловому випромінюванні на випромінювання взагалі і обгрунтував нове вчення про світло - фотонну теорію. Структура світла є корпускулярної. Світлова енергія концентрується в певних місцях, і тому світ має переривчасту структуру - потік світлових квантів, тобто фотонів. Фотон - особлива частинка (корпускула). Фотон - квант енергії видимого і невидимого світла, рентгенівського і гамма-випромінювань, що володіє одночасно властивостями частинки і хвилі, що не має маси спокою, що має швидкість світла, при певних умовах породжує пару позитрон + електрон. Ця теорія Ейнштейна пояснювала явище фотоелектричного ефекту - вибивання з речовини електронів під дією електромагнітних хвиль. Наявність фотоефекту визначається частотою хвилі, а не її інтенсивністю. За створення фотонної теорії А. Ейнштейн отримав 1922 року Нобелівську премію. Ця теорія була експериментально підтверджена через 10 років американським фізиком Р.Е. Міллікеном.

Парадокс: світло поводиться і як хвиля, і як потік частинок. Хвильові властивості проявляються при дифракції та інтерференції, корпускулярні - при фотоефекті.

Нова теорія світла призвела Н. Бора до розробки теорії атома. В її основі 2 постулату:

1. У кожному атомі є кілька стаціонарних орбіт електронів, рух по яким дозволяє електрону існувати без випромінювання.

2. Коли електрон переходить з одного стаціонарного стану в інший, атом випромінює або поглинає порцію енергії.

Така модель атома добре пояснювала атом водню, проте багатоелектронних атомів вона не пояснювала, тому що теоретичні результати розходилися з даними експериментів. Ці розбіжності згодом були пояснені хвильовими властивостями електронів. Це означало, що електрон, будучи часткою, не твердий кульку і не крапка, він має внутрішню структуру, яка змінюється в залежності від його стану. Модель атома, що зображає його структуру в вигляді орбіт, по яких рухаються точкові електрони, насправді створена для наочності, її не можна розуміти буквально. (Це - аналогія відносин, а не предметів.) Насправді не існує таких орбіт, електрони розподілені в атомі не рівномірно, а таким чином, що усереднена щільність заряду в якихось точках більше, а в якихось менше. Орбітою електрона формально називається крива, яка пов'язує точки максимальної щільності. Неможливо наочно представити процеси, що відбуваються в атомі, у вигляді механічних моделей. Класична фізика не може пояснити навіть найпростіші досліди з визначення структури атома.

У 1924 р. французький фізик Луї де Бройль у своїй роботі «Світло і матерія» висловив ідею про хвильових властивості всієї матерії. Австрійський фізик Е. Шредінгер і англійський фізик П. Дірак дали її математичний опис. Ця ідея дозволила побудувати теорію, яка охоплює корпускулярні і хвильові властивості матерії в їх єдності. Кванти світла при цьому стають особливою будовою мікросвіту.

Таким чином, корпускулярно-хвильовий дуалізм привів до створення квантової механіки. В її основі лежать два принципи: принцип співвідношення невизначеностей, сформульований В. Гейзенбергом у 1927 р.; принцип додатковості Н. Бора. Принцип Гейзенберга говорить: у квантовій механіці немає таких станів, у яких місце розташування і кількість руху мали б цілком певне значення, не можна одночасно знати обидва параметри - координату і швидкість, тобто неможливо з однаковою точністю визначити і положення, і імпульс мікрочастинки.

Н. Бор сформулював принцип додатковості наступним чином: «Поняття частинки і хвилі доповнюють один одного і в той же час суперечать один одному, вони є доповнюючими картинами того, що відбувається». Суперечності корпускулярно-хвильових властивостей мікрооб'єктів - це результат неконтрольованого взаємодії мікрочастинок з приладами: в одних приладах квантові об'єкти поводяться як хвилі, в інших - як частки. Через співвідношення невизначеностей корпускулярна і хвильова моделі опису квантового об'єкта не суперечать один одному, оскільки ніколи не постають одночасно. Таким чином, в залежності від експерименту об'єкт показує яку свою корпускулярну природу, або хвилясту, але не обидві відразу. Доповнюючи один одного, обидві моделі мікросвіту дозволяють отримати його загальну картину.

2. Класифікація елементарних частинок

Проникнення в мікросвіт пов'язано з відкриттям елементарних частинок: в кінці Х1Х ст. був відкритий електрон, на початку ХХ ст. - Фотон, протон, позитрон і нейтрон. Після другої світової війни стали використовувати прискорювачі, що створюють умови високих енергій і величезних швидкостей, і встановили існування більше трьохсот елементарних частинок. Історично склався термін «елементарні» продовжує використовуватися, хоча його умовність давно усвідомили.

Характеристики елементарних частинок: маса, заряд, час життя, спін та квантові числа. Маса спокою елементарних частинок визначається по відношенню до маси спокою електрона. Не має маси спокою тільки фотон. По масі спокою частинки поділяються на лептони (легкі частинки: електрон і нейтрино); мезони (середні частки: маса від однієї до тисячі мас електрона); баріони (важкі частинки: маса понад тисячі мас електрона, до складу яких входять протони, нейтрони, гіперонів і багато резонанси). Частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці відповідають античастинки з протилежним зарядом (крім фотона і двох мезонів). У 60-рр. ХХ ст. з'явилася гіпотеза про існування частинок із дробовим електричним зарядом - кварків. За часом життя частинки поділяються на стабільні і нестабільні. До стабільним відносяться фотон, два різновиди нейтрино, електрон і протон, вони грають найважливішу роль в структурі макросвіту. Всі інші частинки відносяться до нестабільних, вони існують близько 10 ^-10 - 10 ^-24 сек., А потім розпадаються. Резонансами називаються частинки з часом життя 10 ^-23 - 10 ^-22 сек. Ці частинки розпадаються ще до того, як покинуть атом або ядро. Спін (від англ. - Дзига, обертання) - власний момент кількості руху частинок. Свобода і поведінку частинок істотно залежить від того, ціле або напівцілим значення має спін.

Виходячи із значення спина, елементарні частинки поділяються на дві групи: з напівцілим спіном - ферміони (електрон, протон, нейтрон, поле ферміонів залишаються квантовими і забезпечують перехід у частки); з цілочисловим спіном - бозони (фотон, спін = 1; поля бозонів переходять в класичні поля, наприклад, електромагнітне поле - світло, радіохвилі). Ферміони утворюють атом речовини, бозони утворюють випромінювання.

Ферміони діляться на клас лептонів і клас кварків. Лептони включають 6 частинок і 6 античастинок (електрон, мюон, тау-лептон, 3 види нейтрино). Лептони грають важливу роль у структурі світу. Кварки - електрично заряджені частинки, мають «ароматом» і «цвітом». Це - квантові числа, виражають певні стани частинки. Оскільки електричні заряди кварків мають дробові значення, їх експериментальні пошуки виявилися безуспішними. Виникло припущення, що існування в природі дробового заряду можливо за умови, що кварки утворюють пов'язані об'єднання, в яких сумарний електричний заряд дорівнює або 0, або 1.

Кварки групуються по 2, 3 частинки, утворюючи адрони. Адрони діляться на 3 групи: Ядерна фізика (комбінації з 3-х кварків), сюди відносяться протон і нейтрон - фундаментальна основа атомних ядер; мезони (поєднання кварка і антикварка), третя група містить частинки, утворені поєднанням трьох антикварков, сюди відносяться антипротон і Антинейтрон , тобто те, що складає основу антиречовини. Адрони - лише невелика частина всіх утворюються з кварків частинок. Велику частину їх складають резонанси (нестабільні частки).

3. Фундаментальні фізичні взаємодії

До теперішнього часу відомі чотири основних види фундаментальних взаємодій: сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна.

Сильна взаємодія здійснюється на рівні атомних ядер на відстані близько 10 ^-13 см, забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі і визначає ядерні сили. Тому атомні ядра дуже стійкі, зруйнувати їх важко. (Передбачається, що ядерні сили виникають при обміні віртуальними частинками, тобто частинками, які існують в проміжних, які мають малу тривалість станах, для яких не виконується звичайне співвідношення між часом, імпульсом і масою). Ядерна сила діє тільки між адронами (наприклад, протон і нейтрон, що становлять ядро атома) і всередині адронів - між кварками, вона не залежить від електричних зарядів взаємодіючих частинок.

Слабка взаємодія - короткодіючі, відбувається між різними частками на відстані 10 ^-15 - 10 ^-22 см. Воно пов'язане з розпадом частинок в атомному ядрі, наприклад, нейтрон в середньому за 15 хв. розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Більшість часток нестабільні саме завдяки слабкому взаємодії. Слабка сила діє між лептона, лептона і адронами або тільки між адронами, її дія теж не залежить від електричного заряду.

Електромагнітна взаємодія майже в 1000 разів слабкіше сильного, зате більш дальнодействующей. Воно властиво електрично зарядженим частинкам, а його носієм є не має заряду фотон - квант електромагнітного поля. Електромагнітна взаємодія визначає структуру атома, відповідає за більшість фізичних і хімічних явищ і процесів, їм визначається агрегатний стан речовини та ін

Гравітаційна взаємодія є найслабшою, має вирішальне значення в космічних масштабах і необмежений радіус дії. Гравітаційна взаємодія універсально, воно полягає у взаємному тяжінні та визначається законом всесвітнього тяжіння.

Взаємодія елементарних частинок відбувається за допомогою відповідних фізичних полів, квантами яких вони є. Нижче енергетичний стан поля, де відсутні кванти поля, називається вакуумом. При відсутності порушення поле у вакуумі не містить частинок і не проявляє механічних властивостей, але при порушенні в ньому з'являються відповідні кванти, за допомогою яких відбувається взаємодія. Існує гіпотеза про наявність квантів гравітаційного поля - гравітонів, але експериментально вона поки не підтверджена.

Квантове поле є сукупністю квантів і носить дискретний характер, тому що всі взаємодії елементарних частинок відбуваються квантованим чином. У чому тоді виявляється його контінууальность (безперервність)? У тому, що стан поля задається хвильовою функцією. З спостережуваними явищами вона пов'язана не однозначно, а через поняття ймовірності. При проведенні цілого комплексу дослідів у результаті виходить картина, яка нагадує результат хвильового процесу. Мікросвіт парадоксальний: елементарна частинка може бути складовою частиною будь-якої іншої елементарної частинки. Наприклад, після зіткнення двох протонів виникає багато інших елементарних частинок, у тому числі протонів, мезонів, гіперонів. Феномен «множинного народження» пояснив Гейзенберг: при зіткненні велика кінетична енергія перетворюється в речовину, і ми спостерігаємо множинне народження частинок.

Поки що не існує задовільною теорії походження та структури елементарних частинок. Багато фізиків думають, що створити її можна при обліку космологічних причин. Дослідження народження елементарних частинок з вакууму в електромагнітних і гравітаційних полях має велике значення, так як тут виявляється зв'язок мікро - і мегасвіті. Фундаментальні взаємодії у мегасвіті визначають структуру елементарних частинок і їх перетворення.

Основні поняття теми:

Квант - найдрібніша постійна порція випромінювання.

Фотон - квант електромагнітного поля.

Фотоефект - вибивання з речовини електронів під дією електромагнітних хвиль, визначається частотою хвилі.

Принцип співвідношення невизначеностей (Гейзенберг): у квантовій механіці немає таких станів, у яких місце розташування і кількість руху мали б цілком певне значення.

Принцип додатковості (Бор): поняття частинки і хвилі доповнюють один одного і в той же час суперечать один одному, вони є доповнюючими картинами відбувається.

Спін - власний момент кількості руху частки.

Сильна взаємодія здійснюється на рівні атомних ядер, забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі і визначає ядерні сили.

Слабка взаємодія - короткодіючі, пов'язане з розпадом частинок в атомному ядрі.

Електромагнітна взаємодія властиво електрично зарядженим частинкам, а його носієм є не має заряду фотон.

Гравітаційна взаємодія універсально та визначається законом всесвітнього тяжіння.

Фізичний вакуум - нижча енергетичний стан поля, де відсутні кванти.

Тема 9. Мегасвіт. Сучасні астрофізичні і космологічні концепції

1. Основні космологічні моделі Всесвіту

Сучасна фізика розглядає мегасвіт як систему, що включає всі небесні тіла, дифузну (дифузія - розсіяння) матерію, яка існує в вигляді роз'єднаних атомів і молекул, а також у вигляді більш щільних утворень - гігантських хмар пилу і газу, і матерію у вигляді випромінювання.

Космологія - наука про Всесвіт як єдине ціле. У Новий час вона відокремлюється від філософії і перетворюється на самостійну науку. Ньютонівська космологія грунтувалася на таких постулатах:

• Всесвіт існував завжди, це «світ в цілому» (універсум).

• Всесвіт стаціонарне (незмінна), змінюються тільки космічні системи, але не світ в цілому.

• Простір і час абсолютні. Метрично простір і час нескінченні.

• Простір і час ізотропні (изотропность характеризує однаковість фізичних властивостей середовища за всіма напрямками) і однорідні (однорідність характеризує розподіл у середньому речовини у Всесвіті).

Сучасна космологія заснована на загальній теорії відносності і тому її називають релятивістської, на відміну від старої, класичної.

У 1929 р. Едвін Хаббл (американський астрофізик) виявив явище «червоного зсуву». Світло від далеких галактик зміщується в бік червоного кінця спектра, що свідчило про видалення галактик від спостерігача. Виникла ідея про нестаціонарності Всесвіту. Олександр Олександрович Фрідман (1888 - 1925) вперше теоретично довів, що Всесвіт не може бути стаціонарною, а повинна періодично розширюватися або стискатися. На перший план висунулися проблеми дослідження розширення Всесвіту і визначення її віку. Наступний етап дослідження Всесвіту пов'язаний з роботами американського вченого Георгія Гамова (1904-1968). Стали досліджуватися фізичні процеси, що відбувалися на різних стадіях розширення Всесвіту. Гамов відкрив «реліктове випромінювання». (Релікт - залишок далекого минулого).

Існує декілька моделей Всесвіту: загальним для них є уявлення про її нестаціонарному, ізотропному і однорідному характері.

За способом існування - модель «Всесвіту» і модель «пульсуючого Всесвіту».

У залежності від кривизни простору розрізняють - відкриту модель, в якій кривизна від'ємна або дорівнює нулю, в ній представлена ​​незамкнута нескінченний Всесвіт; замкнуту модель з позитивною кривизною, в ній Всесвіт кінцевий, але необмежена, безмежна.

Обговорення питання про скінченність чи нескінченність Всесвіту породив кілька так званих космологічних парадоксів, згідно з якими, якщо Всесвіт нескінченний, то вона скінченна.

1. Експансіонний парадокс (Е. Хаббл). Приймаючи ідею нескінченної протяжності, приходимо до протиріччя з теорією відносності. Видалення туманності від спостерігача на нескінченно велику відстань (відповідно до теорії «червоного зсуву» В. М. Слайфер і «ефекту Допплера») повинен перевищувати швидкість світла. Але вона є граничною (з теорії Ейнштейна) швидкістю поширення матеріальних взаємодій, ніщо не може рухатися з більшою швидкістю.

2. Фотометричний парадокс (Ж. Ф. Шезо і В. Ольберс). Це теза про нескінченну світності (при відсутності поглинання світла) неба відповідно до закону освітленості будь-якого майданчика і за законом зростання числа джерел світла в міру зростання обсягу простору. Але нескінченна світність суперечить емпіричним даним.

3. Гравітаційний парадокс (К. Нейман, Г. Зеелігер): нескінченне число космічних тіл має приводити до нескінченного тяжіння, а значить до нескінченного прискорення, що не спостерігається.

4. Термодинамічний парадокс (або так звана «теплова смерть» Всесвіту). Перехід теплової енергії в інші види утруднений в порівнянні зі зворотним процесом. Результат: еволюція речовини призводить до термодинамічної рівноваги. Парадокс говорить про кінцевий характер просторово-часової структури Всесвіту.

2. Еволюція Всесвіту. Теорія «Великого вибуху»

З глибокої давнини і до початку XX століття космос вважали незмінним. Зоряний світ уособлював собою абсолютний спокій, вічність і безмежну протяжність. Відкриття у 1929 році вибухоподібного розбігання галактик, тобто швидкого розширення видимої частини Всесвіту, показало, що Всесвіт нестаціонарна. Екстраполюючи цей процес розширення в минуле, вчені зробили висновок, що 15-20 мільярдів років тому Всесвіт була укладена в нескінченно малий обсяг простору при нескінченно великої щільності («точка сингулярності»), а вся нинішня Всесвіт кінцевий, тобто має обмеженим обсягом і часом існування.

Точку відліку часу життя еволюціонує Всесвіту починається з моменту, коли відбувся "Великий Вибух» і раптово порушилося стан сингулярності. На думку більшості дослідників, сучасна теорія "Великого Вибуху" у цілому досить успішно описує еволюцію Всесвіту, починаючи приблизно з 10 ^-44 секунди після початку розширення. Слабким єдиною ланкою в цій прекрасній теорії вважають проблему Начала - фізичного опису сингулярності.

Вчені сходяться на думці, що первісна Всесвіт перебувала в умовах, які важко уявити і відтворити на Землі. Ці умови характеризуються наявністю високої температури і високого тиску в сингулярності, в якому була зосереджена матерія.

Час еволюції Всесвіту оцінюється приблизно в 20 млрд. років. Теоретичні розрахунки показали, що в сингулярному стані її радіус був близький до радіусу електрона, тобто вона була мікрооб'єктів мізерно малих масштабів. Передбачається, що тут почали позначатися характерні для елементарних частинок квантові закономірності.

Всесвіт перейшла до розширення від первісного сингулярного стану в результаті Великого вибуху, який заповнив увесь простір. Виникла температура 100 000 млн. град. за Кельвіном, при якій не можуть існувати молекули, атоми і навіть ядра. Речовина знаходилася у вигляді елементарних частинок, серед яких переважали електрони, позитрони, нейтрино, і фотони, і менше було протонів і нейтронів. Наприкінці третьої хвилини після вибуху температура Всесвіту знизилася до 1 млрд. град. за Кельвіном. Стали утворюватися ядра атомів - важкого водню і гелію, але матерія Всесвіту складалося до цього часу в основному з фотонів, нейтрино і антинейтрино. Лише через кілька сотень тисяч років почали утворюватися атоми водню і гелію, утворюючи воднево-гелієву плазму. Астрономи виявили «реліктове» радіовипромінювання в 1965 р. - випромінювання гарячої плазми, яка збереглася з того часу, коли ще не було зірок і галактик. З цієї суміші водню і гелію в процесі еволюції виникло все різноманіття сучасної Всесвіту. За теорією Дж. Х. Джинса головним чинником еволюції Всесвіту є її гравітаційна нестійкість: матерія не може розподілятися з постійною щільністю в будь-якому обсязі. Однорідна спочатку плазма розпалася на величезні згустки. З них потім утворилися скупчення галактик, які розпалися на протогалактікі, а з них виникли протозірки. Цей процес продовжується і в наш час. Навколо зірок сформувалися планетні системи. Дана модель (стандартна) Всесвіту не є достатньо обгрунтованою, залишається багато питань. Доводами на її користь є лише встановлені факти розширення Всесвіту і реліктове випромінювання.

Відомий американський астроном Карл Саган побудував наочну модель еволюції Всесвіту, в якій космічний рік дорівнює 15 млрд. земних років, а 1 сек. - 500 років; тоді в земних одиницях часу еволюція випаде так:

Великий Вибух 1 січня 0 час.0 хв.

Освіта галактик 10 січня

Освіта Сонячної системи 9 вересня

Освіта Землі 14 вересня

Виникнення життя на Землі 25 вересня

Океанський планктон 18 грудня

Перші риби 19 грудня

Перші динозаври 24 грудня

Перші ссавці 26 грудня

Перші птахи 27 грудня

Перші примати 29 грудня

Перші гомініди 30 грудня

Перші люди 31 грудня приблизно о 22 год. 30 хв.

Стандартна модель еволюції Всесвіту припускає, що початкова температура всередині сингулярності була більше 10 ¹³ по шкалі Кельвіна (в якій початок відліку відповідає - 273 ⁰ С). Щільність речовини приблизно 10 ⁹³ г / см ^3. Неминуче повинен був відбутися «великий вибух», з яким пов'язують початок еволюції. Передбачається, що такий вибух стався приблизно 15-20 млрд. років тому і супроводжувався спочатку швидким, а потім більш помірним розширенням і відповідно поступовим охолодженням Всесвіту. За ступенем розширення всесвіту вчені судять про стан матерії на різних стадіях еволюції. Через 0,01 сек. після вибуху щільність речовини впала до 10 ¹⁰ г / см ^3. У цих умовах у Всесвіті, що, мабуть, повинні були існувати фотони, електрони, позитрони, нейтрино і антинейтрино, а також невелика кількість нуклонів (протонів та нейтронів). При цьому відбувалися безперервні перетворення пар електрон + позитрон в фотони і назад - фотонів в пару електрон + позитрон. Але вже через 3 хвилини після вибуху з нуклонів утворюється суміш легких ядер: 2 / 3 водню і 1 / 3 гелію, так зване дозвездное речовина, інші хімічні елементи утворюються з нього шляхом ядерних реакцій. У момент, коли виникають атоми водню і гелію, речовина зробилося прозорим для фотонів, і вони стали випромінюватися в світовий простір. В даний час такий залишковий процес спостерігається у вигляді реліктового випромінювання (залишок від тієї далекої пори утворення нейтральних атомів водню і гелію).

У міру розширення і охолодження у Всесвіті відбувалися процеси руйнування існуючих раніше й виникнення на цій основі нових структур, що вело до порушення симетрії між речовиною і антиречовиною. Коли температура після вибуху впала до 6 млрд. градусів за Кельвіном, перші 8 сек. існувала в основному суміш з електронів і позитронів. Поки суміш перебувала в тепловій рівновазі, кількість частинок залишалося приблизно однаковим. Між частинками відбуваються безперервні зіткнення, в результаті чого виникають фотони, а з фотонів - електрон і позитрон. Відбувається безперервне перетворення речовини у випромінювання і, навпаки, випромінювання в речовину. На цій стадії зберігається симетрія між речовиною і випромінюванням.

Порушення цієї симетрії сталося після подальшого розширення Всесвіту і відповідного зниження її температури. Виникають більш важкі ядерні частинки - протони і нейтрони. Складається вкрай незначну перевагу речовини над випромінюванням (1 протон або нейтрон на млрд. фотонів). З цього надлишку в процесі подальшої еволюції виникає щось величезне багатство і різноманітність матеріального світу, починаючи від атомів і молекул до різноманітних гірських утворень, планет, зірок і галактик.

Отже, 15-20 мільярдів років - зразковий вік Всесвіту. Що ж було до народження Всесвіту? Перша космогонічна схема сучасної космології стверджує, що вся маса Всесвіту була стиснута у якусь точку (сингулярність). Невідомо, в силу, яких причин це вихідне, точкове стан було порушено і сталося те, що називається сьогодні словами «Великий Вибух».

Друга космологічна схема народження Всесвіту описує цей процес виникнення з «ніщо», вакууму. У світлі нових космогонічних уявлень саме розуміння вакууму було переглянуто наукою. Вакуум є особливий стан матерії. На вихідних стадіях Всесвіту інтенсивне гравітаційне поле може породжувати частинки з вакууму.

Цікаву аналогію цим сучасним уявленням знаходимо ми у древніх. Про перехід речовини в інший стан, навіть про «зникнення матерії» у момент загибелі Всесвіту згадував філософ і богослов Оріген (II-III ст.н.е.). Коли Всесвіт виникає знову, «матерія, - писав він, - знову отримує буття, утворюючи тіла ...».

Згідно зі сценарієм дослідників, вся спостережувана зараз Всесвіт розміром у 10 мільярдів світлових років виникла в результаті розширення, яке тривало всього 10 ^-30 сек. Розлітаючись, розширюючись на всі боки, матерія відсувала «небуття», творячи простір і почавши відлік часу. Так бачить становлення Всесвіту сучасна космогонія.

Концептуальна модель «Всесвіту» була запропонована А.А. Фрідманом в 1922-24 роках. Десятиліття потому вона отримала практичне підтвердження в роботах американського астронома Е. Хаббла, який вивчав рух галактик. Хаббл виявив, що галактики стрімко розбігаються, слідуючи якомусь імпульсу. Якщо розбігання це не припиниться, буде тривати необмежено, то відстань між космічними об'єктами буде зростати, прагнучи до нескінченності. За розрахунками Фрідмана, саме так повинна була б проходити подальша еволюція Всесвіту. Однак за однієї умови - якщо середня щільність маси Всесвіту виявиться менше деякої критичної величини, ця величина складає приблизно три атома на кубічний метр. Якийсь час тому дані, отримані американськими астрономами з супутника, що досліджував рентгенівське випромінювання далеких галактик, дозволили розрахувати середню щільність маси Всесвіту. Вона виявилася дуже близька до тієї критичної маси, при якій розширення Всесвіту не може бути нескінченно.

Звернутися до вивчення Всесвіту за допомогою дослідження рентгенівських випромінювань довелося тому, що значна частина її речовини не сприймається оптично. Близько половини маси нашої Галактики ми «не бачимо». Про існування ж цього не сприймається нами речовини свідчать, зокрема, гравітаційні сили, які визначають рух нашої та інших галактик, рух зоряних систем. Речовина може існувати у вигляді «чорних дірок», маса яких становить сотні мільйонів мас нашого Сонця, у вигляді нейтрино або інших якихось невідомих нам форм. Не сприймаються, як і «чорні діри», корони галактик можуть бути, як вважають деякі дослідники, в 5-10 разів більше маси самих галактик.

Припущення, що маса Всесвіту значно більше, ніж прийнято вважати, знайшло нове дуже вагоме підтвердження в роботах фізиків. Ними були отримані перші дані про те, що один з трьох видів нейтрино має масу спокою. Якщо решта нейтрино мають ті ж характеристики, то маса нейтрино у Всесвіті в 100 разів більше, ніж маса звичайної речовини, що знаходиться в зірках і галактиках.

Це відкриття дозволяє з більшою впевненістю говорити, що розширення Всесвіту триватиме лише до певного моменту, після якого процес звернеться назад - галактики почнуть зближуватися, стягуючи знову в якусь точку. Слідом за матерією буде стискатися в точку простір. Відбудеться те, що астрономи називають сьогодні словами «схлопування Всесвіту».

Чи помітять люди чи мешканці інших світів, якщо вони існують в космосі, стиснення Всесвіту, початок її повернення в первозданний хаос? Ні. Вони не зможуть помітити повороту часу, який повинен буде статися, коли Всесвіт почне стискатися.

Вчені, кажучи про поворот плину часу в масштабах Всесвіту, проводять аналогію з часом на стискуваної, «колапсуючої» зірку. Умовні годинник, що знаходяться на поверхні такої зірки, спочатку повинні будуть уповільнити свій хід, потім, коли стиснення досягне критичної точки, вони зупиняться. Коли ж зірка «провалиться» з нашого простору-часу, умовні стрілки на умовних годинах рушать у протилежний бік - час піде назад. Але всього цього сам гіпотетичний спостерігач, що перебуває на такій зірці, не помітить. Уповільнення, зупинку і зміна напряму часу можна було б спостерігати з боку, перебуваючи поза «колапсуючу» системи. Якщо наш Всесвіт єдина і немає нічого поза нею - ні матерії, ні часу, ні простору, - то не може бути і якогось погляду з боку, який міг би зауважити, коли час змінить хід і потече назад.

Деякі вчені вважають, що подія це в нашому Всесвіті вже сталося, галактики падають один на одного, і Всесвіт вступила в епоху своєї загибелі. Існують математичні розрахунки і міркування, що підтверджують цю думку. Що відбудеться після того, як Всесвіт повернеться в якусь вихідну точку? Після цього почнеться новий цикл, відбудеться черговий «Великий Вибух», праматерия кинеться на всі боки, розсовуючи і творячи простір, знову виникнуть галактики, зоряні скупчення, життя. Така, зокрема, космологічна модель американського астронома Дж. Уїллера, модель поперемінно розширюється й «колапсуючу» Всесвіту.

Відомий математик і логік Курт Гедель математично обгрунтував положення, що за певних умов наша Всесвіт дійсно повинна повертатися до своєї вихідної точки з тим, щоб потім знову зробити той же цикл, завершуючи його новим поверненням до вихідного свого стану. Цим розрахункам відповідає і модель англійського астронома П. Девіса, модель «пульсуючого Всесвіту». Але що важливо - Всесвіт Девіса включає в себе замкнуті лінії часу, інакше кажучи, час у ній рухається по колу. Число виникнень і загибелі, які переживає Всесвіт, нескінченно.

А як сучасна космогонія уявляє собі загибель Всесвіту? Відомий американський фізик С. Вайнберг описує це так. Після початку стиску протягом тисяч і мільйонів років не відбудеться нічого, що могло б викликати тривогу наших віддалених нащадків. Однак коли Всесвіт стиснеться до 1 / 100 теперішнього розміру, нічне небо буде виливати на Землю стільки ж тепла, скільки сьогодні денний. Через 70 мільйонів років Всесвіт скоротиться ще в десять разів і тоді «наші спадкоємці та наступники (якщо вони будуть) побачать небо нестерпно яскравим». Ще через 700 років космічна температура досягне десяти мільйонів градусів, зірки і планети почнуть перетворюватися на «космічний суп» з випромінювання, електронів і ядер.

Після стиснення в точку, після того, що ми називаємо «загибеллю Всесвіту», але що, може бути, зовсім, і не є її загибель, починається новий цикл. Непрямим підтвердженням цього здогаду є вже згадане реліктове випромінювання, відлуння «Великого Вибуху», який породив наш Всесвіт. На думку вчених, випромінювання це, виявляється, приходить не лише з минулого, а й «з майбутнього». Це відблиск «світової пожежі», що виходить від наступного циклу, в якому народжується нова Всесвіт. Не тільки реліктове випромінювання пронизує наш світ, приходячи як би з двох сторін - з минулого і прийдешнього. Матерія, складова світ, Всесвіт і нас, можливо, несе в собі якусь інформацію. Дослідники з часткою умовності, але говорять уже про свого роду «пам'яті» молекул, атомів, елементарних частинок. Атоми вуглецю, який побував у живих істот, «біогенні».

Коль скоро в момент сходження Всесвіту в точку матерія не зникає, то не зникає, незнищенна і інформація, яку вона несе. Наш світ заповнений нею, як він заповнений, матерією, складовою його.

Всесвіт, що прийде на зміну нашої, чи буде вона її повторенням?

Цілком можливо, відповідають деякі космологи.

Зовсім не обов'язково, заперечують інші. Немає ніяких фізичних обгрунтувань, вважає, наприклад, доктор Р. Дік з Прінстонського університету, щоб кожного разу в момент утворення Всесвіту фізичні закономірності були ті ж, що і в момент початку нашого циклу. Якщо ж ці закономірності будуть відрізнятися навіть самим незначним чином, то зірки не зможуть згодом створити важкі елементи, включаючи вуглець, з якого побудована життя. Цикл за циклом Всесвіт може виникати і знищуватися, не зародили ні іскорки життя. Такою є одна з точок зору. Її можна було б назвати точкою зору «уривчастості буття». Воно переривчасто, навіть якщо в новій Всесвіту і виникає життя: ніякі нитки не пов'язують її з минулим циклом. За іншою точкою зору, навпаки, «Всесвіт пам'ятає всю свою передісторію, наскільки б далеко (навіть нескінченно далеко) в минуле вона ні йшла».

3. Антропний принцип

Сучасна наука висунула антропний космологічний принцип, який полягає в тому, що життя у Всесвіті можлива лише при тих значеннях універсальних фізичних констант, які мають місце в дійсності. Цей принцип розшифровується як «тонка підстроювання» Всесвіту: якщо б значення фізичних констант відхилялися б від існуючих, виникнення життя було б неможливо в принципі. Значить, можливість життя закладена в початкових фізичних умовах існування Всесвіту.

У деяких випадках «чутливість» Всесвіту до зміни констант просто разюча. Так, наприклад, досить змінити так звану константу сильної взаємодії всього на кілька відсотків, щоб Всесвіт складався тільки з гелію, а більш важких елементів в ній просто не було б.

Таким чином, факти говорять про те, що Всесвіт влаштований дивно зручно для людини. При дещо іншому наборі констант людина як спостерігач не міг би й виникнути. У цьому і полягає так званий «антропний принцип», сформульований Б. Картером у формі афоризму: «Я мислю, отже, світ такий, яким він є». На хвилі дискусій про правомірність цього принципу з'явилася безліч його різнорідних формулювань. Зазвичай говорять про слабку і сильною версіях антропного принципу, що відрізняються досить значно один від одного. Суть слабкою версії полягає в наступному: «Те, що ми очікуємо спостерігати, має бути обмежена умовами, необхідними для нашого існування як спостерігачів» (Б. Картер). Тут самим своїм існуванням спостерігач обмежує предмет спостереження.

Сильна версія антропного космологічного принципу постулює, що біологічний відбір фундаментальних констант визначає специфіку і структуру Всесвіту, що виникнення Всесвіту в значній мірі детерміновано існуванням людини. Сильного принципу дотримуються Б. Картер, Ф. Холл, Б. де Вітт. Американський фізик Дж. Уїллер розвиває антропний принцип у його сильною версії в рамках концепції «про соучаствующее Всесвіту»: «Людина не просто спостерігає Всесвіт, а надає їй існування». Цю концепцію він ілюструє явищем поляризації фотона, породженого в самий ранній період існування Всесвіту після Великого вибуху.

Основний недолік антропного принципу полягає в тому, що з нього не виводиться будь-якої Предсказательная факт, що дозволяє зберегти теорію або відкинути її. Фізики дуже сподіваються на те, що в майбутньому, в рамках теоретичної фізики будуть знайдені способи пояснення збігу чисел без залучення біологічного факту існування живих істот і людини.

4. Будова і еволюція галактик

У кінці XIX століття межі розвіданої Всесвіту розсунулися настільки, що включили в себе Галактику. Багато хто думав тоді, що ця величезна зоряна система і є весь Всесвіт в цілому.

З чого ж складається Всесвіт? Добре видима на нічному небі смуга, густо всіяна зірками, - Чумацький шлях - представляє собою «вид у профіль» нашої галактики, тієї до якої належить Сонце. Крім Сонця, до неї входить ще близько 150 мільярдів зірок. Галактика величезна, і міжзоряні відстані набагато перевершують розміри самих зірок. Але наша галактика не єдина. Існує безліч інших, настільки ж гігантських, що утворюють Метагалактику - всю спостережувану Всесвіт.

Е. Хаббл запропонував наступну класифікацію галактик:

еліптичні, сфероїд різної сплюснутості, що складаються в основному зі старих зірок;

спіральні, в «рукавах», яких знаходяться молоді зірки;

неправильної форми.

Всі вони утворилися з протооблаков міжзоряної речовини, що володіють різними масами і різними моментами кількості руху - характеристикою, що показує, як рухалися різні частини хмар відносно один одного. У центрах галактик знаходяться ядра - компактні скупчення величезної кількості зір, що виділяють гігантські енергії в усіх діапазонах довжин хвиль.

Простір між галактиками і між зірками усередині галактик не порожньо. У кожному кубічному сантиметрі міжзоряного простору в середньому знаходиться один атом речовини. Якщо атомів в кожному кубічному сантиметрі набереться з десяток, то про таку області простору говорять як про хмару. Воно може бути виявлено за допомогою радіотелескопів і добре помітно на навколишньому фоні. Для порівняння: у повітрі, яким ми дихаємо, міститься близько ^{19 жовтень} атомів в кожному кубічному сантиметрі, а в найкращому вакуумі, який може бути отриманий в земних лабораторіях, в кожному кубічному сантиметрі міститься ¹⁰ Травень атомів.

У 1963 році були виявлені загадкові об'єкти - квазари, що представляють собою надзвичайно компактні освіти, розміром зі зірку, але випромінюють, як ціла галактика. У їхньому спектрі на суцільному фоні випромінювання видно яскраві лінії, сильно зміщені в червону сторону, що говорить про те, що квазари віддаляються від нас з величезною швидкістю (і розташовані дуже далеко від нашої галактики).

Основна космологічна проблема - звідки ж узялася початкове хмара міжзоряного речовини, з якого відбулися всі ці об'єкти, - залишається як і раніше загадковою. Твердження «Всесвіт існував завжди» залишає місце для питання, чи завжди вона була такою, якою ми бачимо її зараз. Адже якщо Всесвіт зберігає свої властивості в часі і являє собою більш-менш рівномірний розподіл зірок в просторі, то виникає так званий фотометричний парадокс: нічне небо мусить сяяти, оскільки в будь-якому напрямку ближче або далі від нас буде матися зірка. Але цього ми не бачимо. Зате ми виявили, що має місце «червоний зсув». І вважаємо, що всі галактики розлітаються. Значить, говорити про те, що рівномірний розподіл речовини зберігалося постійно, не доводиться. Таким чином, Всесвіт еволюціонує. У результаті Великого Вибуху утворилися протони, електрони та інші елементарні частинки. Взаємодія випромінювання з речовиною на певному етапі призвело до того, що випромінювання і речовина почали еволюціонувати з різним темпом. Про це свідчить існування так званого реліктового випромінювання, що характеризує ранню стадію розвитку Всесвіту і спостерігається зараз у вигляді однорідного фону довгохвильового випромінювання, що спостерігається з будь-якого напрямку. Частинки стрімко розліталися, взаємодіючи між собою в умовах гігантських температур, поступово утворилися хмари, зірки, в надрах яких йдуть процеси ядерного синтезу важких елементів. Що ж далі? Все залежить від того, яка середня щільність речовини у Всесвіті. Якщо вона більше деякого критичного значення, то реалізується модель замкнутої Всесвіту. Під дією сил гравітаційного тяжіння розширення припиниться (приблизно ще через 25 млрд. років) і розпочнеться стиск, в результаті якого вся речовина знову стиснеться в точку. Якщо ж щільність менше критичної, то гравітаційні сили не зможуть зупинити розширення. Реалізується модель відкритої Всесвіту. Через 10 ¹⁵ років зірки охолонуть, через ^{19 жовтня} вони покинуть свої галактики, ще через неймовірно великі проміжки часу (якщо відомі зараз фізичні закони все ще будуть діяти) в результаті радіоактивного розпаду вся речовина перетвориться на залізо, ще набагато пізніше залізні "краплі" перетворяться в нейтронні зірки і чорні діри, які через 10 ⁶⁷ років зникнуть. Оцінити щільність спостережуваного Всесвіту непросто, хоча останні дані вказують на те, що, ймовірно, вона нижче критичної, і Всесвіт є відкритою.

5. Будова і еволюція зірок

Найпоширенішим об'єктом у Всесвіті є зірки. Зіставляючи дані для різних зірок, можна отримати загальні закономірності і перевірити їх виконання на прикладах інших зірок. Згідно сучасним уявленням про будову і еволюцію зірок процеси, пов'язані з виникненням та еволюцією зірки, виглядають наступним чином.

Спочатку формується протозірка. Частинки гігантського рухається газопилової хмари в деякій області простору притягуються одне до одного за рахунок гравітаційних сил. Відбувається це дуже повільно, адже сили, пропорційні масам входять в хмару атомів (в основному атомів водню) і пилинок, надзвичайно малі. Однак поступово частки зближуються, щільність хмари наростає, воно стає непрозорим, що утворюється сферичний "ком" починає потроху обертатися, зростає і сила тяжіння, адже тепер маса "кома" велика. Все більше і більше часток захоплюється, все більше щільність речовини. Зовнішні шари тиснуть на внутрішні, тиск у глибині зростає, а, отже, зростає і температура. (Саме так йде справа з газами, які були детально вивчені на Землі). Нарешті, температура стає такий великий - кілька мільйонів градусів, - що в ядрі цього утворюється тіла створюються умови для протікання ядерної реакції синтезу: водень починає перетворюватися на гелій. Про це можна дізнатися, реєструючи потоки нейтрино - елементарних частинок, що виділяються при такій реакції. Реакція супроводжується могутнім потоком електромагнітного випромінювання, яке тисне (силою світлового тиску, вперше виміряної в Земній лабораторії П. Лебедєв) на зовнішні шари речовини, протидіючи гравітаційному стисненню. Нарешті, стиснення припиняється, оскільки тиску врівноважуються, і протозірка стає зіркою. Щоб пройти цю стадію своєї еволюції протозвезде потрібно кілька мільйонів років, якщо її маса більше сонячної, і кілька сотень мільйонів років, якщо її маса менше сонячної. Зірок, маси яких менше сонячної в 10 разів, дуже мало.

Маса є однією з важливих характеристик зірок. Цікаво відзначити, що досить поширені подвійні зірки - утворюються поблизу один одного і обертаються навколо загального центру. Їх налічується від 30 до 50 відсотків від загального числа зірок. Виникнення подвійних зірок, ймовірно, пов'язано з розподілом моменту кількості руху вихідного хмари. Якщо у такої пари утворюється планетна система, то рух планет може бути досить складним, а умови на їх поверхнях будуть сильно змінюватися в залежності від розташування планети на орбіті по відношенню до світил. Цілком можливо, що стаціонарних орбіт, на зразок тих, що можуть існувати в планетних системах одинарних зірок (і існують в Сонячній системі), не виявиться зовсім. Звичайні, одинарні зірки в процесі свого утворення починають обертатися навколо своєї осі.

Іншою важливою характеристикою є радіус зірки. Існують зірки - білі карлики, радіус яких не перевищує радіусу Землі, існують і такі - червоні гіганти, радіус яких досягає радіусу орбіти Марса. Хімічний склад зірок по спектроскопическим даними в середньому такий: на 10000 атомів водню припадає 1000 атомів гелію, 5 атомів кисню, 2 атоми азоту, 1 атом вуглецю, інших елементів ще менше. З-за високих температур атоми іонізуються, так що речовина зірки є в основному воднево-гелієвої плазмою - в цілому електрично нейтральної сумішшю іонів і електронів. Від маси та хімічного складу вихідного хмари залежать світність і кольоровість (спектральний клас) створюється зірки. Світність зірки - це кількість енергії, випромінюваної нею в одиницю часу. А її спектральний клас характеризує колір зірки, який у свою чергу залежить від температури її поверхні. При цьому "сині" зірки більш гарячі, ніж "червоні", а наше "жовте" Сонце має проміжну температуру поверхні близько 6000 градусів. Традиційно спектральні класи від гарячих до холодних позначаються літерами O, B, A, F, G, K, M (послідовність легко запам'ятати за допомогою мнемонічного правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при цьому кожен клас ділиться на десять підкласів. Так, наше Сонце має спектральний клас G2.

У міру "вигорання" водню в центрі зірки її маса трохи змінюється. Поступово енергії в центрі зірки виділяється все менше, тиск падає, ядро стискується, і температура в ньому зростає. Ядерні реакції протікають тепер лише в тонкому шарі на межі ядра всередині зірки. У результаті зірка в цілому починає «розбухати», а її світність збільшуватися. Зірка перетворюється на так званий «червоний гігант». Після того, як температура стискального (тепер вже гелієвого) ядра червоного гіганта досягне 100-150 млн. градусів, починається нова ядерна реакція синтезу - перетворення гелію в вуглець. Коли й ця реакція вичерпає себе, відбувається скидання оболонки - істотна частина маси зірки перетворюється на планетарну туманність. Гарячі внутрішні шари зірки виявляються «зовні», і їх випромінювання «роздуває» відокремилась оболонку. Через кілька десятків тисяч років оболонка розсіюється, і залишається невелика дуже гаряча щільна зірка. Повільно остигаючи, вона перетворюється в «білий карлик». Білі карлики, мабуть, є завершальним етапом нормальної еволюції більшості зірок.

Але зустрічаються і аномалії. Деякі зірки час від часу спалахують, перетворюючись у нові зірки. При цьому вони щоразу втрачають порядку сотої частки відсотка своєї маси. З добре відомих зірок можна згадати нову в сузір'ї Лебедя, що спалахнула в серпні 1975 року і пробув на небозводі кілька років. Але іноді трапляються і спалахи наднових - катастрофічні події, що ведуть до повного руйнування зірки, при яких за короткий час випромінюється енергії більше, ніж від мільярдів зірок тієї галактики, до якої належить наднова. Така подія зафіксовано в китайських хроніках 1054: на небосхилі з'явилася така яскрава зірка, що її можна було бачити навіть удень. Результат цієї події відомий тепер як Крабоподібна туманність, «повільне» розповсюдження якої по небу спостерігається в останні 300 років. Швидкість розльоту її газів в результаті вибуху складає близько 1500 м / с, але вона знаходиться дуже далеко. Зіставляючи швидкість розльоту з видимим розміром Крабовидної туманності, ми можемо розрахувати час, коли вона була точковим об'єктом, і знайти його місце на небосхилі - ці час і місце відповідають часу і місця появи зірки, згаданої в хроніках.

Якщо маса зірки, що залишилася після скидання оболонки «червоним гігантом» перевершує масу Сонця в 1,2-2,5 рази, то, як показують розрахунки, стійкий «білий карлик» утворитися не може. Зірка починає стискуватися, і її радіус досягає незначних розмірів в 10 км, а щільність речовини такої зірки перевищує щільність атомного ядра. Передбачається, що така зірка складається з щільно упакованих нейтронів, тому вона так і називається - нейтронна зірка. Відповідно до цієї концептуальної моделі у нейтронної зірки є сильне магнітне поле, а сама вона обертається з величезною швидкістю - кілька десятків або сотень оборотів в секунду. І тільки виявлені (саме в Крабовидної туманності) в 1967 році пульсари - точкові джерела імпульсного радіовипромінювання високої стабільності - мають саме такими властивостями, яких слід було очікувати від нейтронних зірок. Спостережуване явище підтвердило концепцію.

Якщо ж залишилася маса ще більше, то гравітаційне стиснення нестримно стискає речовина і далі. Вступає в дію одне з передбачень загальної теорії відносності, згідно з яким речовина стиснеться в точку. Це явище називається гравітаційним колапсом, а його результат - «чорною дірою». Ця назва пов'язана з тим, що гравітаційна маса такого об'єкта настільки велика, сили тяжіння настільки значні, що не тільки яке-небудь речовий тіло не може покинути околицю чорної діри, але навіть світло - електромагнітний сигнал - не може ні відбитися, ні вийти «назовні ». Таким чином, безпосередньо спостерігати чорну діру неможливо, можна лише здогадатися про її існування за непрямими ефектів. Рухаючись у просторі у напрямку до чорної діри (про яку ми поки нічого не знаємо), можна виявити, що малюнок сузір'їв, розташованих прямо по курсу починає змінюватися. Це пов'язано з тим, що світло, що йде від зірок і проходить неподалік від чорної діри, відхиляється її тяжінням. У міру наближення до діри виникне порожня область, оточена світяться точками-зірками, у тому числі і такими, яких раніше не спостерігалося. Світло від деяких зірок може, проходячи повз діри, повертати навколо неї, а потім потрапляти в приймальні пристрої спостерігача. Таким чином, одна зірка може давати декілька зображень у різних місцях. Все це, звичайно, суперечить як нашому життєвому досвіду, так і класичним уявленням, згідно з яким світло поширюється прямолінійно. Втім, на користь існування чорних дір говорить цілий ряд непрямих астрономічних спостережень, а відхилення світла під дією гравітаційного тяжіння реєструється вже при проходженні променя повз такого «нормального» об'єкта, як Сонце.

6. Походження і будова Сонячної системи

У Сонячну систему входить Сонце, дев'ять великих планет з їх 34 супутниками, більше 100 000 малих планет (астероїдів), порядку ^{11 жовтня} комет, а також незліченна кількість дрібних, так званих метеорних тіл (поперечником від 100 метрів до мізерно малих порошин). Центральне положення в Сонячній системі займає Сонце. Його маса приблизно в 750 разів перевершує масу всіх інших тіл, що входять в цю систему. Гравітаційне тяжіння Сонця є головною силою, що визначає рух всіх обертаються навколо нього тіл Сонячної системи. Середня відстань від Сонця до найдальшої від нього планети Плутон становить 39,5 а. е., тобто 6 млрд. км, що дуже мало в порівнянні з відстанями до найближчих зірок. Тільки деякі комети віддаляються від Сонця на 10 ¹⁵ а. е. і піддаються впливу притягання зірок.

Відстані планет від Сонця утворюють закономірну послідовність - проміжки між сусідніми орбітами зростають з віддаленням від Сонця. Ці закономірності руху планет у поєднанні з розподілом їх на дві групи за фізичними властивостями вказують на те, що Сонячна система не є випадковим зібранням космічних тіл, а виникла в єдиному процесі. Тому вивчення будь-якого з тіл Сонячної системи проливає світло на походження всієї Сонячної системи, а разом з тим і на походження, еволюцію і сучасна будова нашої Землі.

Завдяки майже круговій формі планетних орбіт і великих проміжків між ними виключена можливість тісних зближень між планетами, при яких вони могли б істотно змінювати свій рух у результаті взаємних тяжінь. Це забезпечує тривале існування планетної системи.

Всі великі планети - Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун і Плутон - обертаються навколо Сонця в одному напрямку (у напрямку осьового обертання самого Сонця), по майже кругових орбітах, мало нахилених один до одного (і до сонячного екватора). Площина земної орбіти - екліптика приймається за основну площину при відліку нахилень орбіт планет і інших тіл, які обертаються навколо Сонця. Планети обертаються також навколо своєї осі, причому у всіх планет, крім Венери й Урана, обертання відбувається в прямому напрямку, тобто в тому ж напрямку, що і їх звернення навколо Сонця. Надзвичайно повільне обертання Венери відбувається у зворотному напрямку, а Уран обертається ніби лежачи на боці.

Сатурн, Юпітер і Уран крім окремих супутників помітних розмірів мають безліч дрібних супутників, як би зливаються в суцільні кільця. Ці супутники рухаються по орбітах, на настільки близько розташованим до планети, що її приливна сила не дозволяє їм об'єднатися в єдине тіло. Переважна більшість орбіт нині відомих малих планет розташовується в проміжку між орбітами Марса і Юпітера.

Усі малі планети обертаються навколо Сонця в тому ж напрямку, що і великі планети, але їхні орбіти, як правило, витягнуті і нахилені до площини екліптики. Комети рухаються в основному по орбітах, близьких до параболічних. Деякі комети мають витягнутими орбітами порівняно невеликих розмірів - у десятки і сотні а. е. У цих комет, званих періодичними, переважають прямі рухи, тобто рух у напрямку обертання планет.

Будучи обертовою системою тіл, Сонячна система володіє моментом кількості руху (МКД). Головна частина його зв'язана з орбітальним рухом планет навколо Сонця, причому масивні Юпітер і Сатурн дають близько 90%. Осьове обертання Сонця містить в собі лише 2% загального МКД всієї Сонячної системи, хоча маса Сонця складає більше 99,8% загальної маси. Такий розподіл МКД між Сонцем і планетами зв'язано з повільним обертанням Сонця і величезними розмірами планетної системи - її поперечник у кілька тисяч разів більше поперечника Сонця. Момент кількості руху планети набули в процесі свого виникнення: він перейшов до них від тієї речовини, з якого вони утворилися.

Основна маса речовини, що рухається навколо Сонця, міститься в дев'яти великих планетах. До їх числа належить і наша Земля. Планети поділяються на дві групи, що відрізняються за масою, хімічним складом (це виявляється у відмінностях їх щільності), швидкості обертання і кількості супутників. За своїми фізичними характеристиками вони діляться на планети земної групи: Меркурій, Венера, Земля, Марс і планети-гіганти: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Даних про дев'яту планеті - Плутоні - поки мало, але вже ясно, що її не можна віднести ні до однієї з цих груп.

Планети земної групи (як і наша планета) складаються з оксидів та інших сполук важких хімічних елементів: заліза, алюмінію та інших металів, а також кремнію та інших неметалів. Зі всіх хімічних елементів переважає кисень, що входить до складу більшості сполук. Планети-гіганти складаються в основному з водню і гелію, а також таких сполук, як метан і аміак. Хімічний склад цих планет близький до середнього хімічним складом Сонця, в якому переважають найбільш просто влаштовані атоми водню і гелію. Планети-гіганти - Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун - набагато масивніші, складаються в основному з легких речовин і тому, незважаючи на величезний тиск у їхніх надрах, мають малу щільність. У Юпітера й Сатурна головну частку їхньої маси складають водень і гелій. У них міститься також до 20% кам'янистих речовин і легких з'єднань кисню, вуглецю та азоту, здатних при низьких температурах конденсуватися в льоди. У Урана і Нептуна льоди і кам'янисті речовини складають головну частину їхньої маси.

Надра планет і деяких великих супутників (наприклад, Місяця) знаходяться в розпеченому стані. У планет земної групи і супутників внаслідок малої теплопровідності зовнішніх шарів внутрішнє тепло дуже повільно просочується назовні і не робить помітного впливу на температуру поверхні. У планет-гігантів конвекція в їхніх надрах призводить до помітного потоку тепла з надр, що перевершує потік, одержуваний ними від Сонця.

Венера, Земля і Марс мають атмосферами, що складаються з газів, що виділилися з їхніх надр. У планет-гігантів атмосфери являють собою безпосереднє продовження їхніх надр: ці планети не мають твердої чи рідкої поверхні. При зануренні всередину атмосферні гази поступово переходять у конденсована стан.

Ядра комет за своїм хімічним складом близькі планетам-гігантам: вони складаються з водяного льоду і льодів різних газів з домішкою кам'янистих речовин. Майже всі малі планети за своїм складом відносяться до кам'янистих планет земної групи. Тільки недавно відкритий астероїд Хірон, що рухається в основному між орбітами Сатурна і Урана, ймовірно, подібний крижаним ядрам комет і невеликим супутникам далеких від Сонця планет. Уламки малих планет, які утворюються при їхньому зіткненні один з одним, іноді випадають на Землю у вигляді метеоритів. У малих планет, саме внаслідок їхніх малих розмірів, надра прогрівалися значно менше, ніж у планет земної групи, і тому їх речовина часто зазнало лише невеликі зміни з часу їх утворення. Виміри віку метеоритів (за вмістом радіоактивних елементів і продуктів їхнього розпаду) показали, що вони, а, отже, і вся Сонячна система існує близько 5 млрд. років. Цей вік Сонячної системи знаходиться у згоді з вимірами віків найдавніших земних і місячних зразків.

Динамічні і фізичні особливості будови Сонячної системи вказують на те, що планети сформувалися з газопилової речовини, що колись образовавшего протопланетной хмару навколо Сонця. Планети земної групи утворилися в результаті акумуляції кам'янистих твердих часток, а в планет-гігантів освіта почалося з акумуляції кам'янисто-крижаних часток, а потім на деякому етапі їхнього росту доповнилося приєднанням газів, в основному водню і гелію.

Згідно сучасним уявленням, всі тіла, що обертаються навколо Сонця, мають спільне походження. Вони виникли в ході тривав кілька мільярдів років процесу еволюції величезного спочатку холодного газопилової хмари, частинки якого рухалися по найрізноманітніших орбітах навколо Сонця, що знаходився теж у стадії формування.

Зіткнення частинок та обмін енергією між ними призводили до зміни їх орбіт і форми хмари в цілому. Орбіти частинок ставали коловими, а хмара поступово сплющувався. Великі частинки приєднували до себе дрібні, і ці згустки утворювали навколо Сонця диск, товщина якого була в тисячу разів менше його діаметра.

У спочатку однорідному за своїм складом хмарі відбувалося одночасно перерозподіл речовини. Сильний нагрів хмари поблизу Сонця привів до того, що найбільш поширені в ньому водень і гелій зникали на околиці, а в його центральній частині залишилися тільки тверді тугоплавкі частинки. З них-то і утворилися планети земної групи. У віддалених від Сонця частинах газопилової хмари панувала низька температура, тому гази тут намерзали на тверді частинки. Планети-гіганти утворилися з цієї речовини, в складі якого переважає водень і гелій.

У планетах протягом мільярдів років відбувалися процеси розплавлення, кристалізації та інші фізико-хімічні процеси, які значно змінили первісний склад і будова речовини, з якого утворилися всі нині існуючі тіла Сонячної системи.

Далеко не всі згустки виросли в планети. Багато хто залишився в Сонячній системі у вигляді астероїдів, і дрібніших метеоритних тіл. На околицях Сонячної системи ці згустки у вигляді крижаних брил існують до цих пір. У цьому космічному холодильнику у вигляді ядер комет збереглося в незмінному вигляді речовина допланетного хмари.

Сучасна наука рішуче відкидає припущення про випадковий освіту і винятковому характер освіти планетних систем. Сучасна астрономія призводить серйозні аргументи на користь наявності планетних систем у багатьох зірок. Так, приблизно у 10% зірок, що знаходяться в околицях Сонця, виявлено надмірний інфрачервоне випромінювання. Очевидно, це пов'язано з присутністю навколо таких зірок пилових дисків, які, можливо, є початковим етапом формування планетних систем.

Протягом декількох років канадськими вченими вимірювалися дуже слабкі періодичні зміни швидкості руху 16 зірок. Такі зміни виникають через обурення руху зірки під дією гравітаційного пов'язаного з нею тіла, розміри якого багато менше, ніж у самої зірки. Обробка даних показала, що у десяти з шістнадцяти зірочок зміни швидкості вказують на наявність біля них планетних супутників, маса яких перевищує масу Юпітера, за аналогією з Сонячною системою вказує на велику ймовірність існування і сімейства більш дрібних планет.

Про механізм утворення планет, зокрема, в Сонячній системі, також немає загальновизнаних висновків. Сьогодні існує багато гіпотез про походження Сонячної системи. Згідно з однією з найцікавіших версій (Х. Альвена і Г. Арреніуса) Сонячна система утворилася приблизно 5 млрд. років тому. Причому Сонце - зірка другого (або ще більш пізнього) покоління. Сонячна система виникла з продуктів життєдіяльності зірок попереднього покоління, які накопичуються в газопилових хмарах. Автори виходили з припущення, що в природі існує єдиний механізм планетоутворення, дія якого проявляється і в разі утворення планет біля зірки, і в разі появи планет-супутників близько планети. До моменту, коли почали утворюватися планети, центральне тіло системи вже існувало. Щоб утворити планетну систему, центральне тіло повинно володіти магнітним полем, а простір в його околицях має бути заповнено розрядженою плазмою. Без цього процес планетоутворення неможливий.

Сонце має магнітне поле. Джерелом плазми служила корона молодого Сонця. Сьогодні вона стала менше. Але навіть зараз планети земної групи практично занурені в розріджену атмосферу Сонця, а сонячний вітер доносить її частки і до більш далеким планет.

Альвен і Арреніус відмовилися від традиційного припущення про утворення Сонця і планет з одного масиву речовини в одному нероздільній процесі. Вони вважають, що спочатку з газопилової хмари виникає первинне тіло, потім до нього ззовні надходить матеріал для утворення вторинних тел. Потужне гравітаційне вплив центрального тіла притягує потік газових і пилових частинок, які пронизують простір, якому належить стати областю утворення вторинних тел.

Для такого твердження є підстави. Були підведені підсумки багаторічного вивчення ізотопного складу речовини метеоритів, Сонця, Землі. Виявлені відхилення в ізотопний склад тих же елементів на Сонці. Звідси випливає, що основна маса речовини Сонячної системи надійшла з одного газопилової хмари, з якого і утворилося Сонце. Значно менша частина речовини з іншим ізотопним складом надійшла з іншого газопилової хмари, і вона послужила матеріалом для формування метеоритів і частково планет. Змішання двох газопилових хмар сталося приблизно 4,5 млрд. років тому, що й поклало початок утворенню Сонячної системи.

Молоде Сонце, імовірно володіло значним магнітним моментом, мало розміри, перевищували нинішні, але не доходили до орбіти Меркурія. Його оточувала гігантська сверхкорона, яка представляла собою розріджену намагнічену плазму. Як і в наші дні, з поверхні Сонця виривалися протуберанці, але викид тих років мали довжину в сотні мільйонів кілометрів і досягали орбіти сучасного Плутона. Струми в них існували в сотні мільйонів ампер і більше. Це сприяло стягування плазми у вузькі канали. У них виникали розриви, пробої, звідки розбігалися потужні ударні хвилі, ущільнюють плазму на шляху їхнього проходження. Плазма сверхкорони швидко ставала неоднорідною і нерівномірною. Надходили з зовнішнього резервуару нейтральні частинки речовини під дією гравітації падали до центрального тіла. Але в короні вони іонізувати і залежно від хімічного складу гальмувалися на різних відстанях від центрального тіла, тобто з самого початку мала місце диференціація допланетного хмари за хімічним і вагового складу. У кінцевому рахунку, виділилося 3-4 концентричних області, щільність частинок в яких приблизно на 7 порядків перевищувала щільність таких же частинок в проміжках. Це пояснило той факт, що поблизу Сонця розташовані планети, які при відносно малих розмірах мають високу щільність (від 3 до 5,5 г / см ^3), а планети-гіганти мають набагато меншу щільність (1 - 2 г / см ^3). Метеорити і комети формувалися на околиці Сонячної системи за орбітою Плутона. У віддалених від Сонця областях існувала особлива плазма, у ній механізм випадіння речовини ще працював, але струменеві потоки, в яких народжуються планети, утворюватися не могли. Злипання випали часток привело в цих областях до єдино можливого результату - до утворення кам'яних тел.

Сьогодні є унікальні відомості про планетних системах Юпітера, Сатурна, Урана. Можна впевнено говорити про наявність загальних характерних особливостей їхнього і Сонячної системи як цілого.

Зовсім недавно з'явилася ще одна версія походження Сонячної системи, згідно з якою всі тіла, що обертаються навколо Сонця: планети, комети, астероїди, метеорити в різний час народжені в плазмі Сонця і ним же виведені на орбіти.Планети виводилися Сонцем на початкові (навколосонячних) орбіти через тимчасові інтервали 1,2-1,7 млрд. років у вигляді щільних шаруватих сфер, що мають температуру всередині, близьку до абсолютного нуля. Шари сфери були складені атомами хімічних елементів: кожному шару відповідав той чи інший хімічний елемент. Сфери мали гарячу плазмову атмосферу і власне світіння.

Орбіти планет не замкнуті, а спіралеподібні, тобто всі планети віддаляються від Сонця. Народжені першими Нептун і Плутон, що мають вік близько 12 млрд. років, встигли віддалитися на околицю Сонячної системи, а молодий Меркурій, вік якого 1,7 млрд. років, обертається відносно недалеко від Сонця. Можливо, існує зовсім юна планета, що має вік десятки тисяч років. Її орбіта знаходиться в безпосередній близькості від Сонця всередині його корони. Юна планета невелика, володіє власним світінням, можливо, такий же яскравості як Сонце і тому на тлі Сонця помітити її досить складно.

Супутники планет-гігантів - Юпітера, Сатурна, Урана, Нептуна - народжені і виведені на орбіти самими планетами. Тобто супутники названих планет - це «онуки» Сонця. Віддаляються від Сонця, звертаючись за більш складним, але не замкнутим, орбітах і інші тіла Сонячної системи. Комети, що мають параболічні орбіти, швидше за все, прибульці з інших зоряних систем.

Диференціація хімічного складу планет дозволяє припустити, що в процесі утворення хімічних елементів у плазмі Сонця повинна існувати деяка еволюційна періодичність, спрямована від простих елементів до більш складним. Народження планети відповідає завершенню утворення хімічних елементів того чи іншого періоду періодичної системи Менделєєва. Народжені першими зовнішні планети (Плутон, Нептун, Сатурн, Юпітер) складені хімічними елементами 1-4-го періодів. Елементів більш високих періодів під час їх утворення на Сонце ще не було. Земля народилася 7-ою по рахунку, якщо вважати Нептун і Плутон, народженими спільно. Тому в хімічному складі Землі спостерігається 7 періодів елементів. Марс був народжений шостим, тому в його хімічному складі повинні бути відсутні всі елементи 7-го періоду або частково, наприклад, уран. З цієї ж причини, можливо, що на Венері, Меркурії і Юній планеті можуть бути нові більш складні і важкі елементи з порядковими номерами значно вище уранових руд.

Земля зародилася в плазмі Сонця і виведена їм на навколосонячну орбіту понад 4,5 млрд. років тому. Новонароджена була досить спритною. Вона облітала навколо Сонця приблизно за 8 годин, а на оборот навколо своєї осі витрачає близько однієї години. Юна Земля являла собою сферу радіусом в 1,5-2 рази менше радіуса сучасної Землі. Усередині сфера мала тонкослоістих будова, де кожен шар щільністю від 5 до 500 м (всього 150-200 тис. шарів) був складний тим чи іншим елементом періодичної таблиці Менделєєва і мав температуру, близьку до абсолютного нуля. Поверхня Землі мала тонкий розплавлений шар, що утворився внаслідок розігріву заморожених атомарних шарів і переходу їх у молекулярне стан ще в плазмі Сонця. Поверхневий шар представляв собою магму основного складу з температурою вище 1500 градусів. У Землі була гаряча плазмова атмосфера, тому юна Земля світилася як зірка.

На околосолнечной орбіті під дією потужних відцентрових сил, що мали місце внаслідок швидкого осьового обертання Землі, частина розплавленого шару у вигляді великої краплі відокремилася від Землі і стала обертатися навколо неї. Так утворився Місяць. За 4,5 млрд. років Земля і Місяць віддалилися по спіралі від Сонця і зайняли зумовлені їм законом тяжіння сучасні орбіти. Місяць за цей час змінилася не сильно. Вона лише охолола і збільшила навколоземний радіус орбіти. В даний час Місяць представляє собою практично однорідну сферу, виконану магматичними породами основного складу. У ядрі Місяця не виключено присутність ще не охолола розплавленої магми також основного складу.

Основні поняття теми:

Всесвіт - (1) весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі, і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку.

- (2) частину матеріального світу, що доступна дослідженню астрономічними засобами, що відповідають досягнутому рівню розвитку науки.

Мегасвіт - світ величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якому вимірюється світловими роками, а час існування космічних об'єктів - мільйонами і мільярдами років.

Космогонія - вчення про походження і еволюцію космічних тіл і їх систем.

Космологія - вчення про Всесвіт як цілому, засноване на дослідженні тієї її частини, яка доступна для астрономічних спостережень та інших способів її вивчення.

Сингулярність - початкове надщільного стан Всесвіту.

Галактика - гігантські (до сотень мільярдів зірок) зоряні системи.

Зірка - самосвітне небесне тіло, що складається з розжарених газів.

Протозірок - обособившиеся з газопилового хмари в результаті його гравітаційної нестійкості щільною конденсації речовини, в надрах яких ще не досягнуто температури, необхідні для початку термоядерних реакцій - основного джерела енергії зірок.

Білі карлики - зірки, що відрізняються великою щільністю речовини, що мають розміри і світність, в сотні і тисячі разів менші, ніж розміри і світність Сонця, і разом з тим високу температуру.

Червоний гігант - зірка високої світності, в сотні і тисячі разів перевищує розміри Сонця.

Наднова зірка - зірка, яка випромінює під час спалаху світло в сотні мільйонів разів інтенсивніше, ніж Сонце.

«Чорна діра» - космічний об'єкт, що володіє гігантськими силами тяжіння і нічого із себе не випускає.

Квазар - потужне джерело космічного радіовипромінювання, являє собою, швидше за все, виключно активні ядра дуже далеких галактик.

Пульсар - джерело космічного радіовипромінювання з дуже великою стабільністю періоду.

Планета - масивне небесне тіло кулястої форми, яке рухається навколо Сонця і світить відбитим світлом.

Астероїд - малі планети.

Реліктове випромінювання - фонове космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К.

Світловий рік - одиниця для вимірювання відстаней у Всесвіті, відповідає довжині шляху, який проходить світло за 1 рік.

Тема 10. Простір і час у сучасній науковій картині світу

1. Розвиток уявлень про простір і час в історії науки

Класична концепція простору і часу

Простір і час - основні поняття фізики, і в той же час універсалії культури (виражені в категоріях філософії), мають тривалу історію.

Вперше поняття простору як порожнечі з'являється у Демокріта. Існують атоми, і порожнеча необхідна для їх з'єднання і переміщення. Евклід у своїй праці «Почала» надав строгу математичну форму просторовим характеристикам об'єктів. Зароджуються геометричні уявлення про однорідний і нескінченному просторі. Птолемей у своїй праці «Альмагест» виклав свою геоцентричну систему, яка панувала в природознавстві до XVI століття. Це перша універсальна математична модель світу, де час нескінченно, а простір звичайно, де відбувається рівномірний круговий рух небесних тіл навколо нерухомої Землі. Коперник у своїй книзі «Про обертання небесних сфер» виклав геліоцентричну систему, яка зруйнувала колишні уявлення і направила думку до розуміння безмежності і нескінченності простору. Джордано Бруно в праці «Про нескінченність, Всесвіт і світи» пов'язав воєдино нескінченність Всесвіту і простору. Його висновки отримали своє обгрунтування в небесній фізики Кеплера та Галілея. У своїй праці «Діалог про дві найголовніші системи світу - птолемеевой і коперниковой» Галілей сформулював два основні принципи механіки: принципу інерції та принципу відносності. По суті ці принципи описують властивості простору Всесвіту. Остаточну формулювання ці принципи отримали в механіці Ньютона. Згідно з принципом відносності Галілея всі фізичні явища відбуваються однаково в усіх інерційних системах, тобто таких, які покояться або рухаються рівномірно і прямолінійно. Закони руху виражаються однією математичною формою: рівняння руху при переході від однієї інерціальної системи до іншої не змінюються, вони інваріантні (незмінні) по відношенню до перетворень координат.

Р. Декарт обгрунтував єдність фізики і геометрії, він прийшов до ототожнення матеріальності і протяжності. Він ввів систему координат. Галілей і Декарт підготували математичне та експериментальне обгрунтування властивостей простору і часу в класичній механіці.

Ньютон в класичній механіці представляє нову гравітаційну модель Всесвіту. Вона спирається на закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння універсальна і проявляється між будь-якими матеріальними тілами незалежно від їх конкретних властивостей. «Математичні основи натуральної філософії» (1687) майже на 200 років визначили розвиток природознавства. Він сформулював поняття руху, простору і часу:

Простір є нескінченним, плоским, прямокутним, евклідова, тобто метричні властивості описуються геометрією Евкліда. Простір розглядається як абсолютна, пусте, однорідне, изотропное і є «вмістилищем» матеріальних тіл і не залежною від них інерціальній системою.

Час - абсолютно, однорідне, рівномірно поточний, синхронно і одноманітно у всій всесвіту, і як чиста тривалість, не залежно від властивостей матеріальних об'єктів.

Ця концепція простору і часу отримала назву субстанціональної, в ній простір і час розглядаються як самостійні сутності.

У X VII ст. видатний німецький філософ Г. Лейбніц запропонував реляційну концепцію простору і часу: простір - порядок співіснування об'єктів, час - послідовність їх зміни. Однак вона не мала впливу, тому що була недостатньою для пояснення законів руху.

Тому майже двісті років панувала субстанціональна (класична) концепція простору і часу.

Розглянемо дві інерціальні системи:

точка М нерухома щодо першої системи координат і її координати (x, y, z). Друга система координат рухається щодо першої в напрямку осі x ¢ зі швидкістю v. Рівняння Галілея для випадку рівномірного руху вздовж осі рухомої системи відносно нерухомої мали такий вигляд:

x ¢ = x - vt; y ¢ = y; z ¢ = z; t ¢ = t.

Приклад: два спостерігачі, один з яких знаходиться на пероні і не рухливий по відношенню до іншого. З точки зору другого спостерігача перший рухається до кінця поїзда.

Рівняння називаються перетвореннями Галілея. Наслідком з них є правило додавання швидкостей: швидкість руху одного об'єкта щодо іншого є сумою або різницею їх швидкостей по відношенню до нерухомої системі координат.

Досліди з вимірювання швидкості світла відносно Землі, що проводяться в 1881 р. Морлі і Майкельсона, призвели до парадоксального результату, - порушувалося правило додавання швидкостей:

c + v = c - v = c.

Парадокс був дозволений А. Ейнштейном, який створив спеціальну теорію відносності (СТО). У 1905 р. він виступив з доповіддю «До електродинаміки рухомих середовищ». Релятивістська фізична теорія поряд з квантовою теорією лягли в основу фізики і всього природознавства ХХ ст.

СТО базується на двох постулатах:

Всі закони природи однакові в усіх інерціальних системах відліку (принцип відносності).

Швидкість світла у вакуумі постійна і не залежить від руху джерела і приймача світла (принцип сталості швидкості світла).

Швидкість світла - гранична швидкість розповсюдження матеріальних впливів, по відношенню до швидкості світла всі рухомі тіла на Землі мають швидкість, яка дорівнює нулю.

Ейнштейн використав перетворення Х.А. Лоренца:

.

Видатний нідерландський фізик Хендрік Антон Лоренц придумав їх в 1904 р. для того, щоб закони електромагнетизму (рівняння Максвелла) зберегли свій вигляд при переході з однієї інерціальної системи в іншу (адже явища електромагнетизму не залежать від того, з якою швидкістю рухається система відліку). Перетворення Лоренца кількісно виражають той факт, що про час і про простір (координатах) не можна говорити як про незалежні один від одного поняттях.

Ейнштейн довів, що в перетвореннях Лоренца відображаються не реальні зміни розмірів тіл при русі (це можливо тільки в абсолютному просторі), а зміни результатів вимірювання в залежності від руху системи відліку. Відносними є, не тільки рух, але і простір і час.

У теорії відносності на відміну від другого закону Ньютона, де маса вважалася постійної, маса залежить від швидкості руху:

.

Рух тіл неможливо зі швидкостями близькими до швидкості світла, тому що маса при цьому зростає і наближається до нескінченності. Як жартують з цього приводу фізики, можна стати мільйонером, розігнавши до космічної швидкості одну-єдину золоту монету. Тільки, по-перше, цей мільйон піде на будівництво прискорювача, а по-друге, отриманим багатством при таких швидкостях важко буде скористатися. Залежність маси від швидкості - це чисто релятивістський ефект. Як і інші релятивістські ефекти, він проявляється тільки при швидкостях, порівнянних із швидкістю світла. Його спостерігають, наприклад, у прискорювачах заряджених частинок.

Альберт Ейнштейн об'єднав своєї СТО простір і час в єдиний просторово-часовий континуум. З цього випливає, що положення будь-якого тіла визначають чотири параметри (x, y, z, t). Ця теорія зажадала іншій геометрії (неевклідової) і знайшла вираження в 4-хмерном світі Германа Мінковського. Положення будь-якого об'єкта описує світова лінія, яка знаходиться всередині конуса, описуваного променем світла.

У 1908 році німецький математик Г. Мінковський, розвиваючи ідеї теорії відносності, заявив: «Відтепер простір саме по собі і час сам по собі повинні звернутися до фікції, і лише деякий вид з'єднання обох повинен ще зберегти самостійність». Тут маються на увазі дві обставини:

1) відносність проміжків часу і просторових довжин, їх залежність від вибору системи відліку; 2) те, що простір і час тісно пов'язані між собою (це головне). Вони є прояви деякої єдиної сутності - чотиривимірного простору-часу. Ось цією їх нерозривності і не знала колишня фізика. Що ж являє собою ця нерозривний зв'язок?

Просторові відстані можна визначати, вимірюючи час, за який світло або взагалі будь-які електромагнітні хвилі проходять вимірювана відстань. Це так званий метод радіолокації. Відстань вимірюється просто множенням постійної швидкості С на час проходження електромагнітного сигналу. До теорії Ейнштейна не знали, що швидкість світла постійна, і нікому б і в голову не прийшло так просто вимірювати відстані.

Можна вчинити і навпаки: вимірювати час світловим сигналом, що пробігають відоме відстань. Якщо, наприклад, змусити світловий сигнал бігати, відбиваючись між двома дзеркалами, віддаленими на три метри один від одного, то кожен пробіг буде тривати одну стомільйонний частку секунди. Скільки разів пробіг цей своєрідний світловий маятник між дзеркалами, стільки стомільйонний часток секунди пройшло.

Зрозуміти чотиривимірний континуум не важко, складно наочно уявити собі чотиривимірний світ. Дуже просто намалювати плоскі геометричні фігури на аркуші паперу - вони мають довжину і ширину. Набагато важче уявляти тривимірні фігури в просторі - піраміди, конуси, січні їх площині і т.д. Що стосується уяви чотиривимірних фігур, то іноді це дуже важко навіть для фахівців, все життя працюють з теорією відносності. Стівен Хокінг, наприклад, відомий англійський фізик-теоретик, найбільший фахівець в теорії відносності так і каже: «Неможливо уявити чотиривимірний простір. Я сам насилу уявляю фігури в тривимірному просторі! ». Але при цьому фахівці з успіхом використовують поняття простору-часу. Так у просторі-часі можна лінією зображати рух будь-якого тіла. Якщо по горизонтальній осі (осі абсцис) зобразити відстань у просторі по одному напрямку, а по вертикальній (осі ординат) - відкласти час. Для кожного моменту часу відзначаємо положення тіла. Якщо тіло спочиває, тобто його розташування не змінюється, то це на нашому графіку зобразиться вертикальною лінією. Якщо тіло рухається з постійною швидкістю - ми отримаємо похилу пряму. При довільних ж рухах виходить крива лінія. Така лінія отримала назву світової лінії. У загальному випадку треба уявити, що тіло може рухатися не тільки по одному напрямку, а й по інших двох в просторі теж. Його світова лінія буде зображувати рух тіла в чотиривимірному просторі-часі.

Зовні це виглядає як «рівноправність» простору і часу, їх значення просто відкладені по різних осях координат. Але все ж різниця між ними суттєва: у просторі можна бути нерухомим, а в часі - не можна. Світова лінія спочиваючого тіла зображується вертикально. Тіло як би захоплюється потоком часу вгору, навіть якщо воно не рухається у просторі. Світова лінія не може зупинитися, обірватися у якийсь момент, адже час не зупиняється. Поки тіло існує, безперервно продовжується і його світова лінія.

Незалежно від здатності до наочним уявленням фізики-теоретики використовують поняття про чотиривимірному світі як робочий інструмент для своїх розрахунків, оперуючи світовими лініями тіл, обчислюючи їх довжину, точки перетину і так далі. Вони розвивають у цьому чотиривимірному світі чотиривимірну геометрію, подібну геометрії Евкліда. На честь Г. Мінковського чотиривимірний світ називають простором-часом Мінковського.

У той же час пояснювальні і Предсказательная функції СТО з точки зору класичних уявлень виглядають явно парадоксально. Знамениті парадокси СТО:

парадокс одночасності: дві події, що відбуваються одночасно в різних місцях однієї системи відліку, не є одночасними в іншій системі відліку.

х ₁ ¹ х _2, t ₁ = t _2, тоді t ₁ ¹ t _2.

парадок з довжини: довжина l тіла, виміряна в нерухомій системі відліку, і довжина l ¢ того ж тіла, виміряна в рухомій системі відліку, не однакові і пов'язані співвідношенням: l = l ¢ Ö 1 - v ² / c ²

парадокс часу: час D t ¢ протікання процесу в рухомій системі відліку і час D t протікання цього ж процесу в нерухомій системі відліку не однакові і пов'язані співвідношенням: D t ¢ = D t Ö 1 - v ² / c ²

А. Ейнштейна не покидало почуття незавершеності своєї теорії: як бути з спостерігачем, що знаходиться в системі відліку, що рухається по відношенню до іншої з прискоренням, тобто в неінерційній системі. Інша проблема виникла при спробі представити в рамках СТО тяжіння.

Закон тяжіння в тому вигляді, як його сформулював І. Ньютон, несумісний з теорією відносності. Справді, відповідно до твердження Ньютона сила, з якою одне тіло притягує інше, обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Тому, якщо притягує тіло зрушиться, відстань між тілами зміниться, і це миттєво позначиться на силі тяжіння, що впливає на притягиваемой тіло. Таким чином, за Ньютоном, тяжіння миттєво передасться крізь простір. Але відповідно до теорії відносності цього бути не може. Швидкість передачі будь-якої сили не може перевищувати швидкість світла, і тяжіння не може передаватися миттєво.

У 1915 році Ейнштейн завершив створення нової теорії, що об'єднує теорії відносності і тяжіння. Він назвав її загальною теорією відносності (ЗТВ). Теорія тяжіння Ейнштейна стверджує, що тяжіють тіла викривляють навколо себе чотиривимірний простір-час. Те, що чотиривимірний простір може бути викривленим, теоретично було відкрито на початку минулого століття майже одночасно російським математиком М. Лобачевським і угорським математиком Я. Больяй. Німецький математик Б. Ріман став розглядати «викривлені» простору не тільки з трьома вимірами, але і чотиривимірні і взагалі з будь-яким числом вимірів. З тієї пори геометрію викривленого простору стали називати неевклідової. Першовідкривачі неевклідової геометрії не знали, в яких конкретно умовах може проявитися їх геометрія, хоча окремі здогади про це висловлювали. Створений ними та їхніми послідовниками математичний апарат був використаний при формулюванні загальної теорії відносності.

Отже, згідно з основною ідеєю А. Ейнштейна тяжіють маси викривляють навколо себе простір-час. Простір впливає на матерію, «вказуючи» їй, як рухатися. Матерія, у свою чергу, надає зворотну дію на простір, «вказуючи» йому, як викривлятися. У цьому поясненні все незвичайно - і не піддається наочному уявленню викривлене чотиривимірний простір-час, і незвичність пояснення сили тяжіння геометричними причинами. Фізика тут вперше безпосередньо пов'язується з геометрією. Знайомлячись з успіхами фізики, чим ближче ми підходимо до нашої епохи, тим незвичніше стають її відкриття, а поняття дедалі менше піддаються наочним уявленням. Природа в її нинішньому розумінні настільки складна, що вимагає від дослідника все більших зусиль, у тому числі і багатої уяви. Після створення своєї теорії Ейнштейн вказав на ефект уповільнення часу: у сильному полі тяжіння час тече повільніше, ніж поза ним. Це означає, наприклад, що будь-які годинники біля поверхні Сонця йдуть повільніше, ніж на поверхні Землі, бо тяжіння Сонця більше, ніж тяжіння Землі. З аналогічної причини годинник на деякій висоті над поверхнею Землі йдуть трохи швидше, ніж на самій поверхні.

Отже, ОТО говорить про те, що властивості простору і часу визначаються рухом матерії, гравітаційне поле викривляє простір і змінює протягом часу. У квітні 1921 р. А. Ейнштейн в інтерв'ю для американської газети «Нью-Йорк Таймс» так пояснив суть своєї теорії відносності:

«... Раніше вважали, що якщо якимось дивом всі матеріальні речі зникли б раптом, то простір і час залишились би. Відповідно ж до теорії відносності разом з речами зникли б і простір і час ».

ОТО - теорія, яка поширює принцип відносності на будь-які системи відліку і представляє з себе більш загальну теорію тяжіння, містить у собі теорію Ньютона як граничний випадок. ОТО має експериментальне підтвердження і є потужним апаратом у ядерній фізиці та фізиці елементарних частинок. Зокрема, такими прикладами можуть служити отримані при спостереженні сонячного затемнення в 1919 р. і 1921 р. факт викривлення світлового променя гравітаційним полем, які виявилися близькими до розрахунків, отриманим на підставі ЗТВ. А також відкриття в 1929 р. Хабблом так званого «червоного зсуву» свідчило про те, що Всесвіт не статична, а розширюється.

У космічних масштабах геометрія простору перестала бути евклідової. Так, якщо в евклідової геометрії передбачається, що сума кутів трикутника становить 180 ^о, то сума кутів трикутника, зображеного на поверхні сфери, більше 180 ^о, а на сідлоподібної поверхні - менше 180 ^о. Поверхня сфери в неевклідової геометрії називається поверхнею позитивної кривизни, а поверхня сідла - негативною. При швидкостях, близьких до швидкості світла, при сильному тяжінні простір приходить в сингулярне стан, стискається в точку. Мегасвіт через це стиснення взаємодіє з мікросвітом і стає багато в чому аналогічним йому. Класична механіка справедлива як граничний випадок лише при швидкостях, набагато менших світловий, і при масах, набагато менших, ніж в мегасвіті.

Таким чином, ми ще раз маємо нагоду переконатися в тому, що в розвитку науки було вироблено цікаве вимога: будь-яка нова теорія має включати в себе стару (в уточненому вигляді) для тих умов, при яких вона справедлива. Як казав А. Ейнштейн, кращий жереб фізичної теорії - послужити основою для більш загальної теорії, залишаючись у ній граничним випадком.

3. Форми простору і часу

Сучасна наука використовує поняття фізичного, біологічного, психологічного та соціального простору і часу. Фізичному простору і часу приписують такі характеристики: загальність, тому що ці форми притаманні всім без винятку матеріальним об'єктам на будь-якому рівні, простір володіє також властивостями протяжності - наявність певного місця розташування, ізотропності - рівномірність всіх можливих напрямків, однорідності - відсутність будь-яких виділених точок, тривимірності; часу приписуються властивості тривалості - тривалості існування будь-якого матеріального об'єкта , одномірності - положення об'єкта у часі описується єдиною величиною, незворотності - односпрямованість від минулого до майбутнього, однорідності - відсутність будь-яких виділених фрагментів.

Біологічне простір-час характеризує особливості існування органічної матерії, для нього характерні властивості асиметрії правого і лівого, головними характеристиками біологічного часу є циклічність (ритмічність), нерівномірність - власний час живих організмів характеризується різним темпом, має індивідуальну міру, може прискорюють або уповільнюють в залежності від стану організму, періоду його життя і т.п. Для людини характерне також психологічний час, яке, як і біологічне, володіє нерівномірністю, що залежить від стану людини і що відбуваються навколо нього подій, темп і щільність психологічного часу безпосередньо пов'язані з віком людини.

Соціальний простір-час не існує поза практичної діяльності людини, це освоєні людиною сфери, наділені особливим культурним змістом.

Основні поняття теми:

Простір - філософська категорія для позначення протяжності, порядку співіснування і структурованості матеріальних об'єктів.

Час - філософська категорія для позначення тривалості, послідовності зміни станів, інтенсивності, темпу і ритму існування матеріальних об'єктів.

Рух - будь-яка зміна та взаємодія взагалі.

Інерційна система - система, яка покоїться або рухається рівномірно і прямолінійно. Рівняння руху при переході від однієї інерціальної системи до іншої інваріантні (незмінні) по відношенню до перетворень координат.

Неінерційній система - система, яка рухається з прискоренням або уповільненням.

Принцип відносності - всі закони природи однакові в усіх інерціальних системах відліку.

Просторово-часовий континуум - нерозривний зв'язок простору і часу та їх залежність від системи відліку.

Тема 11. Основні концепції хімії

1. Хімія як наука, її предмет і проблеми

Найважливішим розділом сучасного природознавства є хімія. Вона відіграє велику роль у вирішенні найбільш актуальних і перспективних проблем сучасного суспільства. До їх числа відносять:

• Синтез нових речовин і композицій, необхідних для вирішення технічних завдань майбутнього;

• Збільшення ефективності штучних добрив для підвищення рівня врожайності сільськогосподарської продукції;

• Синтез продуктів харчування з несільськогосподарського сировини;

• Розробку і створення нових джерел енергії;

• Охорону навколишнього середовища;

• З'ясування механізму найважливіших біохімічних процесів та їх реалізація в штучних умовах;

• Освоєння величезних океанічних джерел сировини.

Всі хімічні знання, що здобуваються за багато століть і представлені у формі теорій, законів, методів, технологічних прописів і т.д. об'єднує одна-єдина неминуща, - головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями.

Існує безліч визначень хімії. Її називають, по-перше, наукою про хімічні елементи і їх з'єднаннях, по-друге, наукою про речовини та їх перетворення, по-третє, наукою про процеси якісного перетворення речовин. Вони занадто короткі і не дають повної відповіді. Визначаючи хімію як науку, слід мати на увазі дві обставини: по-перше, хімія - не просто сума знань про речовини, а високо впорядкована, постійно розвивається система знань, що мають певне соціальне призначення. По-друге, специфіка хімії в тому, що на відміну від інших наук хімія сама створює свій предмет дослідження. Як ніяка інша наука, вона є одночасно і наукою, і виробництвом. Хімія завжди була потрібна людині в основному для того, щоб отримувати з речовини природи речовини з необхідними заданими властивостями. Це - виробнича завдання і, щоб її реалізувати, треба вміти виробляти якісні перетворення речовини. Іншими словами, щоб вирішити виробничу завдання, хімія повинна вирішити теоретичне завдання генези (походження) властивостей речовини. Таким чином, підставою хімії є двоєдина проблема: отримання речовин з наперед заданими властивостями (виробнича завдання) і виявлення способів керування властивостями речовини (науково - дослідна діяльність). Це і є основна проблема хімії - вона виникає в давнину і не втрачає свого значення в наш час, звичайно, способи її вирішення змінюються залежно від епох, розвитку матеріального виробництва і пізнання.

Витоки хімічних знань лежать у далекій давнині. Хімічні перетворення використовувалися людьми ще в ті часи, про які не збереглося писемних пам'яток. Ці хімічні «засоби праці» (і, перш за все, реакція горіння) мали дуже велике значення. За їх допомогою були закладені основи розвитку майже всіх галузей виробництва речовин, необхідних для прогресу людського суспільства. Вогонь, осередок, піч, гончарне ремесло, металургія, виготовлення скла, обробка шкіри, приготування продуктів бродіння, фарб, ліків, засобів косметики - все це основні ступені вдосконалення й ускладнення використаних людиною засобів праці. Без розквіту різноманітних хімічних ремесел навряд чи було б можливо поява високорозвинених цивілізацій древніх держав - Китаю, Індії, Єгипту, Греції та Риму - з їх товарообміном, писемністю і чудовою культурою. В давнину найвищий рівень хімічних знань співпав з розквітом Римської імперії.

Виключне значення для розвитку хімії мало атомно-молекулярне вчення, колискою якого є Древня Греція. Атомистика давньогрецьких матеріалістів відокремлена від нас 25-віковим періодом, проте філософське вчення про дискретно будову матерії, розвинене ними, мимоволі зливається у свідомості з нашими сьогоднішніми уявленнями.

Як же зародилася атомистика?

Основним науковим методом давньогрецьких філософів були дискусія, суперечка. Для пошуку «першопричин» у спорах обговорювалися багато логічні завдання, однією з яких була завдання про камінь: що станеться, якщо почати його дробити? Більшість філософів вважало, що цей процес можна продовжувати нескінченно. І тільки Левкіпп і його послідовники стверджували, що цей процес не нескінченний: при дробленні, врешті-решт, вийде така частка, подальший розподіл якої просто буде неможливо. Грунтуючись на цій концепції, Левкіпп стверджував: матеріальний світ дискретний, він складається з найдрібніших частинок і порожнечі.

Учень Левкіппа Демокріт назвав ці дрібні частинки «неподільні», що по-грецьки означає «атоми». Ця назва ми використовуємо і сьогодні. Демокріт, розвиваючи нове вчення - атомістики, приписав атомам такі «сучасні» властивості, як розмір і форму, здатність до руху. Послідовник Демокріта Епікур надав давньогрецької атомістиці завершеність, припустивши, що у атомів існує внутрішнє джерело руху, і вони самі здатні взаємодіяти один з одним.

Всі положення давньогрецької атомістики виглядають дивно сучасно, і нам вони, природно, зрозумілі. Адже кожен з нас, посилаючись на досвід науки, може описати безліч цікавих експериментів, що підтверджують справедливість будь-який з висунутих концепцій. Але абсолютно незрозумілі вони були 20-25 століть тому, оскільки ніяких експериментальних доказів, що підтверджують справедливість своїх ідей, давньогрецькі атомісти уявити не могли.

Отже, хоча атомистика стародавніх греків і виглядає дивно сучасно, жодне з її положень у той час не було доведено. Отже, Атомістика, розвинена Левкіппа, Демокрита і Епікура була і залишається просто здогадкою, сміливим припущенням, філософською концепцією, не підкріпленою практикою. Це призвело до того, що одна з геніальних здогадок людського розуму поступово була віддана забуттю.

Про навчання атомістів не згадували майже 20 століть. І лише в XVII столітті ідеї давньогрецьких атомістів були відроджені завдяки роботам французького філософа П'єра Гассенді (1592 - 1655 р.р.). Майже 20 років він витратив, щоб відновити і зібрати воєдино забуті концепції давньогрецьких філософів, які він докладно виклав у своїх працях «Про життя, звичаї і вченні Епікура» і «Звід філософії Епікура. Ці дві книги, в яких погляди давньогрецьких матеріалістів вперше були викладені систематично, стали підручником для європейських учених і філософів. До цього єдиним джерелом, який давав інформацію про погляди Демокріта і Епікура, була поема Лукреція «Про природу речей».

Історія науки знає чимало дивовижних збігів. Ось одне з них: відродження давньогрецької атомістики збігається за часом з відкриттям Р. Бойл (1627 - 1691 р.р.) фундаментальної закономірності, яка описує зміни обсягу газу від його тиску. Якісне пояснення фактів, що спостерігаються Р. Бойл, може дати тільки атомистика: якщо газ має дискретне будова, тобто складається з атомів і порожнечі, то легкість його стиснення обумовлена ​​зближенням атомів в результаті зменшення вільного простору між ними.

Перша боязка спроба застосування атомістики для пояснення кількісно спостережуваних явищ природи дозволила зробити два дуже важливих висновки:

• Перетворення атомістики з філософської гіпотези в наукову концепцію дозволило б дати єдино правильне трактування самим різноманітним явищам природи.

• Для перетворення атомістики з філософської гіпотези в наукову концепцію, докази існування атомів необхідно було вивчати гази, а не рідкі і не тверді речовини, ніж до цього займалися хіміки.

Тільки в XVIII столітті вчені впритул зайнялися дослідженням газів. Послідував каскад відкриттів простих речовин: водень, азот, кисень, хлор. А дещо пізніше хіміки встановили ті закони, які прийнято називати основними законами хімії.

Закон збереження маси сформульований М.В. Ломоносовим у 1748 році і А. Лавуазьє в 1777 році. Він говорить: маса речовин, що вступають у хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворюються в результаті реакції.

У 1801 році Ж. Пруст встановив закон сталості складу, відповідно до якого кожне хімічно чисте з'єднання незалежно від способу його одержання має цілком певний склад.

Закон еквівалентів був сформульований В. Ріхтером в 1794 році. Він говорить: у всіх хімічних реакціях взаємодія різних речовин один з одним відбувається відповідно до їх еквівалентами, незалежно від того, чи є ці речовини простими або складними.

У 1803 році Д. Дальтон відкрив закон коротких відносин, який являє собою подальший розвиток закону еквівалентів, засноване на послідовному аналізі ряду хімічних сполук, що утворюються при взаємодії один з одним будь-яких хімічних елементів. Ось його формулювання: якщо два елементи утворюють один з одним кілька хімічних сполук, то на одну й ту ж масу одного з них припадають такі маси іншого, що співвідносяться між собою як прості цілі числа.

Використовуючи відкритий ним закон кратних відносин, закон еквівалентів і закон сталості складу, Д. Дальтон створив нову версію атомістичної теорії. У ній атом з абстрактній моделі перетворився на конкретне хімічне поняття.

У серйозному протиріччі з висновками атомістики Д. Дальтона виявився відкритий Ж. Люссаком (1805 р.) закон об'ємних відносин, згідно з яким обсяги вступають в реакцію газів ставляться один до одного, а також до обсягу виходять газоподібних продуктів як прості цілі числа. Для пояснення спостерігалися закономірностей з'єднання газів виявилося необхідним припустити, що будь-які гази, у тому числі і прості, складаються не з атомів, а молекул. У рівних обсягах різних газів при однаковій температурі і тиску міститься однакове число молекул. Це положення, висловлене в 1811 році А. Авогадро, увійшло в хімію як закон Авогадро. Проте на початку XIX століття він не отримали належного визнання: навіть великі хіміки того часу заперечували можливість існування молекул, що складаються з декількох однакових атомів. І тільки через півстоліття у вересні 1860 року на I Міжнародному з'їзді хіміків у Німеччині, в м. Карлсруе були остаточно прийняті основні положення атомно-молекулярного вчення:

• Всі речовини складаються з атомів.

• Атоми кожного виду (елементу) однакові між собою, але відрізняються від атомів іншого виду (елементу).

• При взаємодії атомів утворюються молекули: гомоядерние (при взаємодії атомів одного елемента) чи гетероядерні (при взаємодії атомів різних елементів).

• При фізичних явищах молекули зберігаються, а при хімічних - руйнуються. При хімічних реакціях атоми на відміну від молекул зберігаються.

• Хімічні реакції полягають в утворенні нових речовин з тих же самих, з яких складаються початкові речовини.

Подальший розвиток атомно-молекулярного вчення стало можливим завдяки відкриттю Д.І. Менделєєва в 1869 році періодичного закону хімічних елементів і створення його табличного виразу - періодичної системи. Виявилося, що періодичність зміни властивостей хімічних елементів і їх з'єднань, пов'язані з повторюється структурою електронних оболонок їхніх атомів.

На рубежі XIX - XX століть в хімії почали простежуватися кризові тенденції, оскільки піддалася сумніву правдивість склалася атомно-молекулярної концепції, тому що вона не могла пояснити деякі експериментальні дані, отримані до кінця XIX століття. Відкриття електрона, радіоактивність, на думку багатьох хіміків, зруйнували основи об'єктивного аналізу хімічних процесів. Однак подальше дослідження складної будови атома прояснило причину зв'язку атомів один з одним. Це - хімічний зв'язок, що вказує на дію електростатичних сил між атомами. Це сили взаємодії електричних зарядів, а їх носії - електрони і ядра атомів. В освіті хімічного зв'язку між атомами найбільш важливі валентні електрони, які розташовані на зовнішній оболонці і пов'язані з ядром менш міцно. Розрізняються три основних типи хімічного зв'язку: ковалентний, іонний і металева.

Хімічна зв'язок - це взаємодія, що зв'язує окремі атоми в молекули, іони, кристали. Вони є тими структурними рівнями організації матерії, які вивчає хімія. Енергія зв'язку є найважливішою характеристикою хімічного зв'язку, що визначає її міцність. Кількісно вона оцінюється за допомогою енергії, яка витрачається на її розрив. Питання про енергетику різних хімічних процесів, про ступінь перетворення речовин у хімічних реакціях пов'язаний із застосуванням у хімії законів термодинаміки. Хімічна кінетика виявляє механізм реакції, якісні та кількісні зміни хімічних процесів. Стало очевидним, що хімічна картина світу виявилася набагато складніше, ніж це уявлялося в XIX столітті. Позиції атомно-молекулярної теорії продовжували посилюватися в XX столітті.

Такі загальні уявлення про предмет хімії як науки та про коло її проблем.

2. Основні етапи (концепції) розвитку хімії

Хімія повинна відповісти на питання, від чого залежать властивості речовини. Історично сформувалися чотири способи вирішення цього питання. Властивості речовини залежать

1) від його елементного і молекулярного складу (1660 рр..)

2) від структури його молекул - структурна хімія (1880 рр..)

3) від термодинамічних та кінетичних умов, в яких речовина знаходиться в процесі хімічної реакції (1950 рр..)

4) від рівня хімічної організації речовини - еволюційна хімія (1970 рр..).

До середини X VII століття не був відомий жоден хімічний елемент. У другій половині Х VII ст. в роботах англійського вченого Р. Бойля було доведено, що якості і властивості тіла залежать від того, з яких матеріальних елементів тіло складено. З цього моменту стали вважати, що найменшою часткою простого тіла є молекула. Після відкриття низки елементів першу спробу їх класифікації зробив Лавуазьє, ця робота була успішно завершена в 1867 р. Д.І. Менделєєвим.

У 1860 р. А.М. Бутлеровим була створена хімічна теорія будови речовини, яка поклала початок структурної хімії. Стало ясно, що властивості речовин і їх якісну різноманітність обумовлені не тільки складом, а й структурою молекул. З'явилося поняття «реакційна здатність», в нього включалися уявлення про хімічної активності окремих елементів молекули - атомів, атомних груп і навіть окремих хімічних зв'язків. У 1860-ті роки з'являється термін «органічний синтез». Хімія перетворилася з науки головним чином аналітичної в синтетичну. Цей період пов'язаний з розвитком виробництва анілінових барвників для текстильної промисловості, штучного шовку, вибухових речовин, різних ліків та ін Але цей етап був не довгим. Інтенсивний розвиток автомобілебудування, авіації, енергетики, приладобудування в першій половині ХХ ст. висунули нові вимоги до виробництва матеріалів. Необхідно було отримувати високооктанове моторне паливо, спеціальні синтетичні каучуки, пластмаси, ізолятори, жароміцні органічні й неорганічні полімери, напівпровідники. Для отримання цих матеріалів наявних знань було не досить. Потрібно було дослідити зміни властивостей речовин в результаті впливу температури, тиску, розчинників і багатьох інших факторів, що впливають на напрям і швидкість хімічних процесів.

Хімія стає наукою про процесах і механізмах зміни речовини. Вона забезпечує виробництво синтетичних матеріалів, що заміняють дерево і метал в будівництві, харчова сировина у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і мастильних матеріалів. Багато матеріалів стали проводитися з нафтової сировини, а виробництво азотних добрив - з азоту і повітря. З'явилися нові технології.

У 60-70-ті роки ХХ ст. виник четвертий спосіб вирішення головного питання хімії. Він відкрив шлях використання у виробництві матеріалів самі високоорганізовані хімічні системи, які можливі в даний час. В основі цього способу лежить принцип використання таких умов, які призводять до самовдосконалення каталізаторів хімічних реакцій, тобто до самоорганізації хімічних систем. (Це своєрідна біологізація хімії). Виникає еволюційна хімія. Її вважають предбіологіей, тобто наукою про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем. Хімія зв'язується з біологією. Довгий час ці дві науки йшли кожна своїм шляхом, паралельно, чому сприяли уявлення про непрохідною межі між живим і неживим. Лише відкриття в ХХ ст. мікросвіту дозволило побачити практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітці; зумовленості біологічних функцій хімічними реакціями. У той же час стало цілком ясно, що не можна зводити явища життя до хімічних реакцій (антіредукціонізм). Специфіка хімічних процесів у живих системах полягає в самозбереженні, самовідтворення живої системи. У 60-ті роки ХХ ст. були відкриті випадки самовдосконалення каталізаторів в ході реакції. Зазвичай вони дезактивували в процесі роботи, погіршувалися і викидалися. Дослідження в області біокаталізаторів орієнтувалися на природний відбір каталітичних структур, здійснюваний природою на шляху еволюції від неорганічної матерії до органічної. Результатом стала інформація про відбір хімічних елементів і структур, який виявився подібний біологічної еволюції. Нині відомо більше ста хімічних елементів. Більшість з них беруть участь у життєдіяльності організмів. Проте основу живих систем складають лише 6 елементів, що одержали назву органогенов: вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка. Загальна вагова частка їх в організмі більше 97%. За ними слідують 11 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, кремній, алюміній, хлор, мідь, цинк, кобальт. Їх вагова частка в організмі - 1,6%.

3. Хімічні системи і процеси

Інтенсивний розвиток хімії в XX столітті, що характеризується розробкою принципово нових наукових напрямів і технологічних процесів, синтезом раніше невідомих типів хімічних сполук, новими умовами здійснення хімічних реакцій (у плазмі, твердій фазі, неводних і змішаних розчинників), сприяло перегляду і систематизації фундаментальних хімічних уявлень з позиції сучасного природознавства.

Значно збагатилися знання про рівні хімічної організації матерії. Нижчою вихідним рівнем хімічної організації матерії є атом. Атом - система взаємодіючих елементарних часток, що складається з ядра (утвореного протонами і нейтронами) і електронів. Атоми утворюються при взаємодії тільки трьох типів елементарних часток, але при цьому виникає великий набір найрізноманітніших стійких (або нестійких) систем. Весь утворився ансамбль підрозділяється на сукупність, в кожну з яких входять лише атоми, які характеризуються одним і тим же зарядом ядра. Ці сукупності називаються хімічними елементами.

Наступним, більш високим рівнем хімічної організації матерії після атома, є молекула. Молекула - нейтральна по заряду найменша сукупність атомів, пов'язаних, внаслідок хімічної взаємодії, в певному порядку (тобто володіє певною структурою), не має, як правило, не спарених електронів і здатна до самостійного існування. Молекули можуть складатися як з атомів одного і того ж елемента - гомоатомние або гомоядерние, так і з атомів різних елементів - гетероатомних або гетероядерні.

Подальше ускладнення хімічної організації матерії відбувається при взаємодії атомних і молекулярних частинок, що веде до утворення більш складних сукупностей - молекулярних асоціацій і агрегатів. Важливо відзначити, що асоціати існують головним чином у газоподібному або рідкому станах, а агрегати - в твердому.

У XX столітті продовжує уточнюватися періодичний закон хімічних елементів. В даний час він формулюється наступним чином: властивості елементів, а також форми і властивості їх сполук перебувають у періодичній залежності від величини заряду ядра їх атомів.

Продовжує розвиватися і періодична система. Була скасована введена Д.І. Менделєєвим нульова група. Вивчення хімічних властивостей благородних газів, показало, що вони є елементами головної підгрупи VIII групи періодичної системи.

Поняття речовини як виду матерії, що характеризується масою спокою, перестало задовольняти сучасних хіміків. Зараз речовина, з точки зору хімії, це певна сукупність атомних і молекулярних частинок, їх асоціатів і агрегатів, що знаходяться в будь-якому з трьох агрегатних станів. Прості речовини - це речовини, що складаються з атомів одного і того ж елемента, а складні речовини утворюються при хімічній взаємодії атомів різних хімічних елементів. Природа складних речовин - хімічних сполук - залежить від хімічного зв'язку. Широта поняття хімічного зв'язку не дозволяє дати його чіткого визначення. Можна обмежитися наступним: під хімічної зв'язком розуміється такий вид взаємодії між атомно-молекулярними частинками, що зумовлений спільним використанням їх електронів. При цьому мається на увазі, що таке усуспільнення електронів взаємодіючими частинками може змінюватися в широких межах.

Важливою кількісною характеристикою, що показує число взаємодіючих між собою атомів в утвореній молекулі, є валентність. Це поняття виникло в хімії більше 100 років. Їм позначили властивість атомів одного елемента приєднувати певне число атомів інших елементів. Сучасні уявлення про будову атома пов'язують валентність з числом неспарених елементів, завдяки яким здійснюється зв'язок між атомами.

Сучасна теорія хімічного зв'язку дає задовільні відповіді на наступні питання:

Чому і яким чином з вільних атомів утворюються молекули?

Чому атоми з'єднуються один з одним у певних співвідношеннях?

Які ці співвідношення для різних хімічних елементів?

Яка геометрична форма молекул і як вона пов'язана з електронною структурою складових її атомів?

Зв'язок атомів за допомогою електронних пар називають ковалентним зв'язком. Різновид ковалентного зв'язку, утвореної атомами, називають неполярної, а утвореної двома різними атомами - полярної або поляризованою.

Іонної називають хімічний зв'язок між іонами - зарядженими частинками, на які перетворюються атоми в результаті віддачі або приєднання електронів. Речовини, утворені з іонів, називаються іонними з'єднаннями.

Металева зв'язок проявляється при взаємодії атомів елементів, що мають надлишок вільних валентних орбіталей по відношенню до числа валентних електронів.

Водневий зв'язок обумовлена ​​додатковим взаємодією між ковалентно зв'язаним атомів водню однієї молекули і електронегативний атомом тієї ж самої або іншої молекули.

Вчення про хімічних зв'язках складають основу сучасної теорії хімічної будови. Відповідно до неї, хімічну будову - це не тільки порядок елементарного зв'язку атомів і їх взаємний вплив у речовині, а й напрямок, і міцність зв'язків, міжатомні відстані, розподіл щільності електронної хмари, ефективні заряди атомів і т.п.

У XX столітті хімія все більше ставала наукою вже не тільки і не стільки про речовини як закінчених предметах, скільки наукою про процесах і механізмах зміни речовин. Хімічні процеси представляють собою складні явища, як в неживої, так і в живій природі. Вони протікають у формі взаємодії двох або кількох речовин, що призводить до утворення нових речовин. Схильність речовини вступати в ті чи інші хімічні взаємодії називається його реакційною здатністю, яку судять за кількістю і різноманітністю характерних для даної речовини перетворень. Суть цієї здатності можна зрозуміти з точки зору активності хімічних елементів. Найбільш активними є неметали з мінімальною атомною масою і мають у зовнішній оболонці 6 або 7 електронів. Як приклад можна навести кисень: адже в ньому горить навіть залізо. Що стосується металів, то найбільш активними з них є елементи, що належать I і II груп таблиці Менделєєва, що мають на зовнішньому рівні відповідно 1 і 2 валентних електрона і велику атомну масу. Наприклад, барій легко розкладає воду навіть при кімнатній температурі, а зіткнення цезію з водою дуже часто призводить до вибуху. У той же час елементи з повністю укомплектованою оболонкою є неактивними (наприклад, інертні гази: неон, аргон, криптон, ксенон).

Опис і пояснення хімічних процесів - завдання одного з найважливіших розділів хімії, званого хімічної кінетикою. Зазвичай цю загальну задачу поділяють на дві більш конкретні:

1. Виявлення механізму реакції - встановлення елементарних стадій процесу і послідовності їх перебігу (якісні зміни);

2. Кількісний опис хімічної реакції - встановлення суворих співвідношень, які б задовільно передбачали зміна кількості вихідних реагентів і продуктів в міру перебігу реакції.

Для розуміння основних закономірностей здійснення хімічного процесу необхідне вивчення механізму його протікання. Вихідні речовини, що вступають у хімічну реакцію, надзвичайно рідко безпосередньо перетворюються на її продукти. У більшості випадків реакція проходить ряд послідовних і паралельних стадій, на яких утворюються і витрачаються проміжні речовини. Число проміжних стадій може бути дуже велика - в ланцюгових реакціях їх десятки і сотні тисяч. Час існування проміжних речовин дуже різноманітно: одні цілком стабільні, інші існують в рівноважному стані кілька секунд.

Накопичення інформації про механізм окремих хімічних реакцій дозволить проводити їх класифікацію, і буде сприяти в подальшому створення загальної теорії здійснення того чи іншого типу хімічної реакції. З іншого боку, виявлення механізму конкретної хімічної реакції дозволяє вирішувати важливу практичну задачу - виділення найбільш повільної елементарної стадії, яку прийнято називати лімітуючої, тобто визначає швидкість всього хімічного процесу в цілому.

Розглядаючи механізм хімічних реакцій, слід, перш за все, мати на увазі, що характер взаємодії суттєво залежить від агрегатного стану реагентів і продуктів. Реагенти та продукти, разом узяті, утворюють так звану фізико-хімічну систему.

Сукупність однорідних частин системи, мають однаковий хімічний склад і властивості і відділені від решти частин системи поверхнею розділу, називають фазою. Системи, що складаються з однієї фази, називають гомогенними, а системи, що містять декілька фаз - гетерогенними.

Визначення механізму хімічної реакції є спеціальним завданням хімічної кінетики, яку вирішують, використовуючи сучасні фізико-хімічні методи дослідження.

4. Реакційна здатність речовин

Основним поняттям у хімічній кінетиці є поняття швидкості реакції. У природі і в промисловості протікає величезна кількість хімічних процесів. Одні протікають століттями, інші дуже швидко.

Швидкість хімічної реакції визначається зміною концентрація реагуючих речовин за одиницю часу. Вона залежить від багатьох чинників і включає природу реагентів, концентрацію реагуючих речовин і температуру, наявність каталізаторів, стан кристалічної решітки твердих реагентів і продуктів, якщо такі є в системі.

Швидше протікає та реакція, в якій взаємодіє менше іонів. Швидкість реакції збільшується також у разі збільшення числа частинок реагуючих речовин, що приводить до частіших їх зіткнень. Вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної взаємодії виражається основним законом хімічної кінетики - законом діючих мас. Цей закон поширюється на газові суміші і розчини, але він не застосуємо до реакцій твердих речовин.

Для реакцій за участю твердих речовин швидкість взаємодії дуже чутлива до ступеня змішування реагентів і стану їх кристалічної решітки, оскільки будь-які порушення в цій решітці викликають збільшення реакційної здатності твердих тіл.

Численні досліди показують, що при підвищенні температури в арифметичній прогресії швидкість більшості хімічних реакцій зростає в геометричній прогресії. З першого погляду може здатися, що висока температурна чутливість швидкості реакції пов'язана зі збільшенням числа молекулярних зіткнень. Однак це не так. Згідно з розрахунками, загальна кількість зіткнень молекул при підвищенні температури на десять градусів зростає тільки на 1,6%, а число прореагировавших молекул зростає на 200 - 400%.

Щоб пояснити спостережувані розбіжності, С. Арреніус припустив, що вплив температури зводиться головним чином до збільшення числа активних молекул, тобто молекул, зіткнення яких призводить до утворення продукту (ефективного зіткнення). Згідно з С. Арреніус, частка ефективних зіткнень, що дорівнює відношенню їх числа до загального числа зіткнень (n), змінюється з температурою.

Одне з найбільш ефективних засобів впливу на швидкість протікання хімічних процесів - використання каталізаторів. Нагадаємо, що каталізатори - це речовини, які змінюють швидкість реакції, а самі до кінця процесу залишаються незмінними як за складом, так і по масі. Інакше кажучи, в момент самої реакції каталізатор активно бере участь у хімічному процесі, як і реагенти. Але до кінця реакції між ними виникає принципова відмінність - реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись на продукти, а каталізатор виділяється в первісному вигляді. Найчастіше роль каталізатора полягає у збільшенні швидкості реакції, хоча деякі каталізатори не прискорюють, а уповільнюють хімічний процес. Явище прискорення хімічних реакцій завдяки присутності каталізаторів, носить назву каталізу, а уповільнення - інгібування.

Існують два види каталізу - гомогенний і гетерогенний. При гомогенному каталізі реагенти, продукти і каталізатор становлять одну фазу (газову або рідке). У цьому випадку відсутній поверхню розділу між каталізатором і реагентами.

Особливість гетерогенного каталізу полягає в тому, що каталізатори (зазвичай тверді речовини) знаходяться в іншому фазовому стані, ніж реагенти та індуктори реакції. Реакція розвивається на поверхні твердого тіла, яка завжди має багато дефектів, у тому числі вільні електронні пари, не беруть участь в утворенні зв'язку. Молекули реагентів легко взаємодіють з цими електронами і завдяки утворюється зв'язків легко утримуються на поверхні каталізатора. У результаті деякі зв'язки всередині адсорбованих молекул настільки слабшають, що молекули або руйнуються, або перетворюються в активні радикали. Каталітична активність твердого речовини тим вище, чим краще реагенти адсорбуються на його поверхні, і чим слабкіший продукти реакції утримують його. При цьому важливо, щоб, змінюючи енергетичний стан молекул реагенту, каталізатор сам не утворював з ними міцних хімічних зв'язків.

Відповідно до сучасних поглядів, каталітична активність твердого тіла обумовлена ​​не всією поверхнею, а лише окремими її частинами, званими її активними центрами. Їх природа поки точно не встановлена. Як правило, хіміки прагнуть отримувати твердий каталізатор з максимально великою поверхнею. Однак площа сама по собі ще не визначає ефективність каталізатора. Більш важливо - стан поверхні, тобто число активних центрів на одиницю поверхні.

У 1960 році були відкриті випадки самовдосконалення каталізаторів в ході реакції, тоді як зазвичай каталізатори в ході їх роботи дезактівізіровалісь, погіршувалися і викидалися. У 1964 році вітчизняний хімік А.П. Руденко висунув теорію хімічної еволюції, безпосередньо пов'язану з процесами самовдосконалення каталізаторів.

Для сучасної картини світу, пронизаної ідеєю розвитку, ідея еволюції може здатися досить тривіальною. Однак у пізнанні неживої природи простежити генетичний ланцюжок становлення, виникнення, функціонування і загибелі окремих форм і утворень на тлі «глобального еволюціонізму» - завдання не просте. Для хіміків еволюція не вичерпується виникненням і розпадом міжатомних, молекулярних структур. Хімічний процес призводить до поступового ускладнення речовинної структури космосу, до збагачення енергетичних зв'язків. У той же час він, як вірно помітив Гегель, обтяжений розривами, часом тривалими зупинками розвитку.

Поява ідеї хімічної еволюції було підготовлено великими успіхами в області вивчення механізму хімічних перетворень, розвитком хімічної кінетики. У 1951 році Б.П. Бєлоусов відкрив гомогенну періодичну хімічну реакцію - окислення лимонної кислоти броматом при каталізаторі іонами церію в сірчанокислої середовищі. Всупереч вікового досвіду хіміків, кількість речовини, що вступає в реакцію, не зменшувалося, не залишалося рівноважним, а коливалося. Явно нежива хімічна суміш проявила як би здатність до самоорганізації. До цих пір хіміки стверджували: ніяких коливальних процесів в однорідних розчинах бути не може. Однак в останні роки накопичено достатньо фактів, що свідчать про безліч коливальних явищ типу реакції Білоусова. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і часових структур за рахунок появи нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації інших відкритих систем у зазначених хімічних реакціях, важливе значення набувають каталітичні процеси. Роль цих процесів посилюється в міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Хімічна еволюція якщо не цілком, то значною мірою пов'язана з процесами самоорганізації каталітичних систем.

Таким чином, хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. Знаряддям відбору найбільш прогресивних еволюційних змін є базисна реакція.

В даний час хімічні процеси досліджуються такими галузями як хімія плазми, реакційна хімія, хімія високих тисків і температур. Аналіз хімічних процесів виходить на фундаментальне теоретичний рівень. У результаті розвитку квантової хімії багато проблем механізму реакції вирішуються на підставі теоретичних розрахунків.

5. Проблеми самоорганізації у сучасній хімії

Поняття самоорганізації має в еволюційній хімії велике значення. Склалися два підходи до вирішення проблем самоорганізації передбіологічних систем: субстратний і функціональний. Субстратний підхід дозволив отримати інформацію про відбір хімічних елементів і структур, який відбувався в процесі самоорганізації передбіологічних систем. На Землі з органогенов найбільш поширені тільки кисень і водень, поширеність інших дуже мала. У космосі панують два елементи - водень і гелій. Істотну роль у відборі хімічних елементів, здатних до утворення міцних енергоємних зв'язків, в першу чергу, зіграв вуглець, який вміщує і утримує всередині себе найбільш рідкісні хімічні протилежності, а також володіють лабільністю органогени - азот, фосфор і сірка, і елементи, які є центрами ферментів - залізо і магній.

У ході еволюції поряд з відбором хімічних елементів для біосистем здійснювався також відбір хімічних сполук. З невеликого числа органічних речовин природа створила величезний світ рослин і тварин. Хіміки вважають, що коли період хімічної підготовки змінився періодом біологічної еволюції, хімічна еволюція зупинилася. Їм дуже важливо зрозуміти, як відбувалася ця хімічна підготовка, щоб навчитися у природи з менш організованих матеріалів створювати більш організовані.

Функціональний підхід до проблеми передбіологічній еволюції характеризується дослідженням самоорганізації матеріальних систем, виявленням механізмів цих процесів. Такий підхід переважно використовується фізиками і математиками, вони розглядають еволюційні процеси з позицій кібернетики. Багато з них стверджують, що для функціонування механізмів самоорганізації природа систем ніякої особливої ​​ролі не грає: живі системи, навіть інтелект, можна змоделювати і з металу.

Той факт, що каталіз зіграв вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, в даний час підтверджується багатьма даними. Найбільш переконливі результати, як ми вже бачили, пов'язані з дослідами з самоорганізації хімічних систем, які проводили Б.П. Білоусов та А.М. Жаботинський. Ці реакції супроводжуються утворенням нових структур, причому важливе значення в них набувають каталітичні процеси, роль яких посилюється в міру ускладнення структури хімічних систем.

Основні поняття теми:

Атом - система взаємодіючих елементарних часток, що складається з ядра і електронів.

Молекула - нейтральна по заряду найменша сукупність атомів, що володіє певною структурою і здатністю до самостійного існування.

Валентність - кількісна характеристика, що показує число взаємодіючих між собою атомів в утвореній молекулі.

Каталізатор - речовина, що впливає на швидкість хімічної реакції.

Каталіз - прискорення хімічної реакції, завдяки присутності спеціальної речовини.

Інгібування - уповільнення хімічної реакції, завдяки присутності спеціальної речовини.

Органогени - хімічні елементи, які беруть участь у створенні і життєдіяльності організмів.

Хімічна зв'язок - це взаємодія, що зв'язує окремі атоми в молекули, іони, кристали.

Хімічна кінетика - опис і пояснення хімічних процесів.

Тема 12. Проблеми і перспективи сучасної геології

1. Основні етапи розвитку наук про Землю

Фізичні, космологічні і хімічні концепції підвели нас впритул до уявлень про Землю, її походження, будову і різноманітних властивості. Дослідники і мандрівники, спостерігачі і філософи створили єдину географічну картину світу, рісующую Землю як складну систему, що складається з різних, але взаємопов'язаних елементів: гірських порід і грунту, клімату і води, флори і фауни.

Різні науки про Землю, маючи один об'єкт дослідження - Землю, розвиваються разом, взаємно збагачуючи один одного. Вони тісно взаємодіють з фізикою, хімією, біологією, на стиках, з якими виникають нові наукові напрямки, вирішальні завдання пояснення єдності речовини Землі, балансу її енергії, глобальних процесів, які об'єднують різні сфери Землі, а також окремі ділянки її поверхні.

У становленні і розвитку наук про Землю виділяють три етапи:

1.Доклассіческій (від античності до XVII століття)

2.Классіческій (XVIII - перша половина XX століття)

3.Неклассіческій (60-і роки XX століття по теперішній час)

У перший період були висунуті ідеї про кулястість Землі і кліматичної зональності. Стародавні греки та римляни знали про підняття і опускання суші, землетрусах, вулкани і вулканічної діяльності; про те, що корисні копалини зароджуються і знаходяться в надрах Землі. Вони мали уявлення про багатьох гірських породах і мінералах, парагенезе, геологічну будову деяких ділянок земної кори, про осадконакоплении і осадкообразования, могли оцінити наслідки діяльності людини в «геологічному відношенні».

У другій період розробляються концепції активності Землі: нептунізм, плутонізму, катастрофізм, уніформізм, актуалізму, мобілізма і т.д. Згідно з концепцією нептунізма (А. Г. Вернер), всі гірські породи відклалися у вигляді опадів з Світового океану. Плутонізму бачив динамічний витік всіх явищ у внутрішньому теплі Землі, що викликає землетруси і виверження вулканів. У цих концепціях активність Землі зв'язується з однією з геооболочек. Уніформізм наполягав на тому, що геологічні явища в минулому були такими ж, як і в даний час. Прихильники актуалізму вважали, що, використовуючи порівняльно-історичний метод, можна судити про минулих геологічних процесах.

У третій, некласичний, період фактуальних потенціал настільки зріс, що виявилася можливою концепція глобальної еволюції Землі. Відповідно до цієї концепції, кілька мільярдів років тому навколо Сонця зверталося гігантське холодне газопилову хмара. Частинки, що складали первісну туманність, стикалися один з одним і утворювали холодні тверді згустки, які згодом стали планетами. Розігрівання їх сталося пізніше завдяки стисненню і надходженню сонячної енергії.

Теорії еволюції Землі, тобто повного і несуперечливого опису розвитку ядра і мантії Землі, океанічної і континентальної кори, атмосфери, гідросфери і біосфери поки не існує. Є кілька напрямків і шкіл, очолюваних провідними фахівцями в галузі геофізики, геохімії та геології. Складність виникаючих проблем, неоднозначність трактування вже здобутих фактів поки не дозволяють з'єднати в єдиній картині дані, отримані при різних підходах.

2. Історія геологічного розвитку Землі

Вчені поділяють історію Землі на тривалі проміжки часу - еони. Еони - на ери, ери - на періоди, періоди - на епохи, епохи - на віки. Поділ на ери і періоди не випадково. Закінчення однієї ери і початок іншої знаменувалося істотними перетвореннями лику Землі, зміною співвідношення суші та моря, інтенсивними горотворних процесами.

Геологічна історія Землі ділиться на два еону: кріптозойскій і фанерозойский. Кріптозойскій (від грец. Крипто - таємний, прихований і грец. Zo е - життя) еон - інтервал часу (понад 3000 млн. років), протягом якого сформувалися докембрійські товщі порід, позбавлені явних залишків скелетної фауни. Він становить 5 / 6 усього геологічного літочислення. Фанерозой (від грец. Фанери - явний і zo е - життя), охоплює останні 570 млн. років. Виділено в 1930 році американським геологом Дж. Чедвіком поряд з кріптозойскім Еоном.

Найдавніший етап в геологічній історії Землі - катархей (нижче найдавнішого) і архей (найдавніший). Це час активної вулканічної діяльності на планеті. У відкладах цих ер залишки організмів практично не виявлені. Гірські породи архею представлені гнейсами (метаморфічна гірська порода, що складається з кварцу, польового шпату і слюди), кристалічними сланцями, кварцитами.

На межі архейської і наступної за нею протерозойський (від грец. Proteros - більш ранній, перший; zoe - життя) ери в результаті горотворних процесів відбувся значний перерозподіл суші і моря на Землі.

Протерозой - величезний за тривалістю (близько 2 млрд. років) етап історичного розвитку Землі. Це ера виникнення життя на Землі. Життя стає важливим геологічним фактором. Живі організми змінюють форму і склад земної кори. У результаті фотосинтетичної діяльності невпізнанно змінився склад атмосфери. До цієї ері належить освіту найбільших покладів залізних руд (курські, криворізькі) органогенного походження.

Між протерозойський і палеозойської ерами (близько 600 млн. років тому) відбувався черговий період інтенсивного горотворення. Знову перерозподіляються площі суші і моря на Землі. Накопичені протягом протерозою потужні шари опадів у результаті стиснень, піднять дна моря перетворилися на гірські породи.

Палеозойська ера (від грец. Palaios - древній, zoe - життя) - перша ера фанерозойського еону. Тривалість - близько 240-350 млн. років. Це ера активного гороутворення. Тваринний світ розвинувся від примітивних морських тварин до наземних плазунів, а рослинний - до хвойних рослин. З корисних копалин з'являються кам'яне вугілля, нафта, горючі сланці, фосфорити.

Наступна ера - мезозойська (від грец. Mesoa - середній, zoe - життя). Її тривалість - близько 173 млн. років. Цей час інтенсивного гороутворення на периферії Тихого, Атлантичного й Індійського океанів, ера панування гігантських плазунів на суші, у морях і в повітрі (динозаврів, іхтіозаврів та ін.) З'являються численні комахи, костисті риби, птиці, ссавці, а з рослин - листяні дерева.

Близько 60-70 млн. років тому почалася кайнозойская (від грец. Kainos - новий, zoe - життя) і продовжується в даний час. Вона характеризується інтенсивними горотворних процесами, неодноразовими наступами моря на сушу і його відступами. Близько 0,7 - 1,8 млн. років тому відбулося різка зміна клімату, що супроводжувалося потужним материковим заледенінням, яка охопила величезні площі в Євразії та Північній Америці. Накопичення гігантських запасів льоду на суші призвело до істотного зниження рівня Світового океану (на 60-70 м). В кінці кайнозойської ери з'явилася людина.

3. Внутрішня будова Землі

Сучасні концепції геосферно оболонок

Кулястість Землі, розташування на ній основних мас твердого, рідкого і газоподібного речовини, а також багато її фізико-хімічні властивості дозволили для зручності її дослідження виділити всередині Землі і навколо неї ряд концентричних оболонок різної щільності і хімічного складу. Вперше такий підхід до вивчення нашої планети запропонував австрійський геолог Е. Зюсс. У своєму тритомної праці «Лик Землі» він узагальнив уявлення попередників про будову і розвиток земної кори і назвав виділяються за різними ознаками концентричні оболонки Землі геосферами.

В даний час у напрямку від периферії до центру Землі розрізняють магнітосферу, атмосферу, гідросферу, земну кору, мантію Землі і її ядро. Земна кора, гідросфера, атмосфера, магнітосфера описані докладно. Що стосується мантії і ядра, то вони досліджені недостатньо. Для їх вивчення застосовуються методи, що базуються головним чином на здатності світлових, звукових і ударних хвиль по-різному поширюватися в різних сферах.

Центральна область Землі - ядро. Воно обмежене сферичної поверхнею на глибині 2900 км. Речовина ядра має підвищеною щільністю і електропровідністю. Радіус ядра 3470 км. Припускають, що ядро складається з двох частин: внутрішньої (радіусом 1300 км) твердої і дуже щільною від величезного стиснення оболонки, що складається з металевого заліза, і зовнішньої оболонки з розплавлених мінералів з ​​температурою 5000-6000 ^о С.

83% обсягу Землі і 67% його маси складає її мантія. Верхня межа мантії проходить на глибині від 5-10 до 70 км. Нижня - на глибині 2900 км. Передбачається, що мантія Землі складена в основному олівіном - мінералом, що містить кремній, залізо і магній. Завдяки високому тиску речовина мантії, по - видимому, знаходиться в твердому кристалічному стані, за винятком атмосфери. Температура в мантії не перевищує 2000-2500 ^про С. З процесами в мантії Землі пов'язані тектонічні рухи земної кори, виверження вулканів і інші процеси.

Земна кора - тверда зовнішня оболонка земної кулі товщиною в середньому 35-40 км. Розрізняють два види земної кори - материкову або континентальну і океанічну.

Материкова земна кора складається з трьох шарів: верхнього осадового, середнього «гранітного» і нижнього «базальтового», названих на їхню переважного складу. Потужність материкової кори - 35-40 км під рівнинами і 70 км в області гір.

Океанічна земна кора не має «гранітного» шару, а її осадовий шар має меншу потужність у порівнянні з материковою корою. Океанічна кора має потужність від 5 до 10 км.

Земна кора схильна до постійних тектонічним рухам. Одна із сучасних теорій, що пояснюють динаміку процесів у земній корі, називається теорією неомобілізма. Її поява відноситься до кінця 60-х років XX ст. і викликано сенсаційним відкриттям на дні океану ланцюга гірських хребтів, обплітають земну кулю. Її довжина перевищує 72 тис.км. Комп'ютерні програми, побудовані на основі теорії неомобілізма, дозволили змоделювати динамічні процеси, що відбувалися всередині Землі і на її поверхні у відносно близькі епохи минулого.

Вчені вважають, що геосферно оболонки виникли в результаті диференціації речового складу первинної Землі. Вони відрізняються по щільності і хімічного складу.

Земну кору і верхній шар верхньої мантії об'єднують в загальну тверду оболонку - літосферу. Загальна її потужність становить, імовірно, 50-200 км. Вона має важливе значення, оскільки створює твердий шар на поверхні Землі, на якому виникає життя. Вона містить у собі корисні копалини, необхідні для життя людини, має особливий органічний шар - грунт, що створює умови для життя рослинних організмів, які, у свою чергу, є їжею для людини і тварин.

Гідросфера - водна оболонка Землі, сукупність всіх природних вод планети. Вона включає світовий океан, води суходолу і знаходиться в тісній взаємодії з літосферою (підземні води), атмосферою (водяна пара), і живими організмами. Гідросфера єдина, так як всі води взаємопов'язані і знаходяться в постійному кругообігу. В.І. Вернадський писав: «Вода стоїть осібно в історії нашої планети. Ні природного тіла, яке могло б зрівнятися з нею за впливом на перебіг основних, найграндіозніших геологічних процесів ... Все земне речовина ... нею пройнятий ».

Атмосфера - газова оболонка Землі, пов'язана з нею силою тяжіння і бере участь в її добовому і річному обертанні. Вперше термін «атмосфера» ввів у практику М.В. Ломоносов. Атмосфера складається з суміші газів, званої повітрям. Нижньою межею атмосфери є поверхня Землі. Чітко вираженої верхньої межі вона не має. Умовно її проводять на висоті близько 2000-3000 км.

З висотою температура, тиск і щільність повітря в атмосфері змінюються. У залежності від цього застосовується розподіл атмосфери на кілька шарів: тропосфера (товщина 16-18 км над екватором), стратосфера (50-55 км), мезосфера (80-85 км), термосфера (від 85 до 600-800 км). Атмосфера захищає Землю від впливу відкритого космосу, підтримує температурну рівновагу і сприятливий режим, містить азот, що входить до складу майже всіх живих організмів, і кисень, необхідний для дихання. Одним з найважливіших компонентів атмосфери є ізотоп кисню - озон. Озоновий шар, будучи екраном від ультрафіолетового випромінювання, грає виключно важливу роль у збереженні життя на Землі.

Особлива комплексна оболонка Землі, в межах якої стикаються, проникають одна в одну і взаємодіють верхня частина літосфери, гідросфери, нижня частина атмосфери називається географічної оболонкою. Межі географічної оболонки різні вчені визначають по-різному. Верхня межа збігається з кордоном тропосфери або озоновим екраном, а нижня - кордон земної кори або нижня межа її осадового шару.

Цілісність географічної оболонки забезпечується постійним обміном речовин та енергією між сушею, атмосферою, світовим океаном і організмами. Вчення про географічній оболонці було розроблено А.А. Григор'євим.

Основні поняття теми:

Земля - третя за рахунком від Сонця планета в Сонячній системі.

Нептунізм - концепція, згідно з якою всі гірські породи відклалися у вигляді опадів з Світового океану.

Плутонізму - концепція, згідно з якою всі процеси на Землі обумовлені її внутрішнім теплом.

Уніформізм - концепція про незмінність геологічних явищ в історії Землі.

Ядро Землі - центральна область Землі, обмежена сферичної поверхнею на глибині 2900 км.

Мантія Землі - одна з внутрішніх оболонок, розташована між Земний корою і ядром.

Земна кора - тверда зовнішня оболонка земної кулі товщиною в середньому 35-40 км, частину літосфери.

Ера геологічна - тривалий етап геологічної історії і розвитку життя на Землі, відповідний часу утворення певних гірських порід.

Літосфера - верхня оболонка Землі.

Атмосфера - газова оболонка Землі, пов'язана з нею силою тяжіння і бере участь в її добовому і річному обертанні.

Гідросфера - водна оболонка Землі, сукупність всіх природних вод планети.

Тема 13. Особливості біологічного рівня організації матерії

1. Біологія як система наук про живу природу

Термін «біологія» був введений вперше в XIX столітті Жаном Батистом Ламарком. Біологія вивчає незліченні форми живих організмів, їх будова, функції, індивідуальний розвиток, взаємовідносини один з одним і з навколишнім середовищем. Предмет біології - життя, яка є найбільш складною формою організації та руху матерії. Тому вона являє собою систему наук та її структуру можна розглядати з різних точок зору. По об'єкту дослідження в біології виділяють вірусологію, бактеріологію, ботаніку, зоологію, антропологію. За властивостями і проявам живого біологія підрозділяється на морфологію (будову організмів), фізіологію (функціонування організмів), молекулярну біологію (мікроструктура живих тканин і клітин), екологію (спосіб життя рослин і тварин, їх зв'язку з навколишнім середовищем), генетику (закони спадковості) . За рівнем організації досліджуваних живих об'єктів у біології виділяють: анатомію (будова організму), гістологію (будову тканин), цитологію (будова живих клітин).

Історично біологія розвивалася як описова наука про різноманітних формах і видах рослинного і тваринного світу. Тому найважливіше місце в ній займали методи аналізу, систематизації та класифікації величезного емпіричного матеріалу, накопиченого натуралістами.

Пошуки єдиної основи живих форм призвели до вивчення їх спочатку на клітинному, а потім на молекулярному рівні. Спроби створення класифікацій видів рослин і тварин привели до ідей і принципів теорії еволюції. Описова біологія послужила емпіричним фундаментом, на якому сформувався єдиний, цілісний погляд на різноманітний світ живих систем, пов'язаний з вивченням структури біологічних систем, структурних рівнів організації живої матерії. Тому в розвитку біології зазвичай виділяють три основних етапи:

етап систематики (К. Лінней);

еволюційний етап (Ч. Дарвін);

етап біології мікросвіту (Г. Мендель).

Розвиток біології все більше переконує вчених в єдності природи, у зв'язку органічного та неорганічного світів.

2. Основні концепції походження життя. Сутність живого

У біології склалися чотири підходи до пояснення феномену життя:

Віталізм - пояснення специфіки життя наявністю в організмах особливої ​​«життєвої сили» (vitalis - життєвий).

Редукціонізм - зведення процесів життєдіяльності до сукупності певних хімічних реакцій.

Композіціонізм вважає основною причиною функціонування явищ життя межорганізменние зв'язку.

Функціоналізм виник у зв'язку з обговоренням питання про можливість життя на інших планетах, природа і структура живого може різнитися, схожість ж буде виявлятися тільки у функціях.

Відповідно з цими підходами існує декілька концепцій походження життя. Найбільш поширеними з них є наступні:

Креаціонізм - життя було створене надприродною шляхом в певний час.

Мимовільне (спонтанне) зародження: життя виникало неодноразово з неживої речовини. Ван Гельмонт (1577-1644) описав експеримент, в якому він за 3 тижні нібито створив мишей. Для цього знадобилися брудна сорочка, темна шафа і жменя пшениці. Активним початком служив людський піт. Спростування цьому дав у 1688 р. Франческо Реді з Флоренції. До цих пір важливе значення в біології має знаменитий «принцип Реді», згідно з яким життя може виникнути тільки з попереднього життя (біогенез). Реді провів такий експеримент: він узяв чотири великі судини, в перший помістив змію, в другій - трохи риби, в третій - вугрів, у четвертий - шматок молодої телятини. Ці судини він щільно закрив і запечатав. Те ж саме помістив в чотири інших судини, але залишив їх відкритими. Бачив мух, вільно влітають і вилітають з цих судин. У результаті у відкритих посудинах були виявлені маленькі білі черв'ячки (личинки мух), а в запечатаних судинах не було жодної личинки.

Ладзаро Спаланцані в 1765 р. довів, що кип'ятіння вбиває всі форми живих істот. А в 1860 р. Луї Пастер запропонував свої знамениті способи пастеризації і стерилізації (стерилізація - обробка неживих предметів, які можуть бути заражені живими істотами).

Теорія стаціонарного стану - життя існувало завжди, також як і Всесвіт. Види живого існували завжди і у них є тільки дві можливості: або зміна чисельності, або вимирання.

Теорія панспермії - життя на Землю занесена з інших частин Галактики або Всесвіту. У 1865 році німецький вчений-медик Г. Ріхтер стверджував, що зародки предків організмів могли бути занесені з метеоритами і космічним пилом. Ця гіпотеза широко поширена серед вчених, найбільш помітними її прихильниками є У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.І. Вернадський. У 1907 р. шведський природодослідник С. Арреніус висунув подібну гіпотезу, яка і отримала назву панспермії: у Всесвіті вічно існують «насіння життя», які, потрапляючи в сприятливі умови, народжують життя.

Теорія біохімічної еволюції - життя виникло в результаті фізико-хімічних процесів. У 1924 р. А.І. Опарін (біохімік) опублікував книгу «Походження життя», в якій виклав гіпотезу виникнення життя на Землі.

У сучасній біології всі теорії діляться на дві великі групи: голобіоза і генобіоза.

Голобіоз - методологічний підхід, який визнає первинність структур типу клітинної, здатних до елементарного обміну речовин при участі ферментів. Поява нуклеїнових кислот - завершення еволюції.

Генобіоз визнає первинність молекулярної системи з властивостями генетичного коду. Дж. Холдейн висловив припущення: первинної була макромолекулярная система, подібна гену і здатна до саморепродукції, так званий «голий ген».

Є й проміжні варіанти: білкові і нуклеїнові молекули з'явилися одночасно і піддалися коеволюції, тобто одночасної і взаємозалежної еволюції. Контраргумент: білкові і нуклеїнові макромолекули структурно і функціонально настільки різні, що нереально їх одночасна поява і співіснування. До 1980-их рр.. посилилися позиції генобіоза.

Очевидно на сучасному рівні дослідження, що у визначенні життя повинні бути зафіксовані функціональні та субстратні моменти. Життя - вища з природних форм руху матерії, для якої характерні самовідновлення, саморегуляція, самовідтворення різнорівневих відкритих систем, речову основу яких складають білки, нуклеїнові кислоти і фосфорорганічні сполуки.

3. Рівні організації живої матерії та її властивості

Виділяють кілька рівнів організації живої матерії:

Молекулярний - на цьому рівні забезпечуються всі найважливіші процеси життєдіяльності організму (обмін речовин, збереження енергії і т.п.);

Клітинний - клітина є структурною і функціональною одиницею всього живого;

Тканинний - сукупність подібних за будовою клітин, які об'єднані спільними функціями;

Органний. Органи - це структурно-функціональне об'єднання декількох видів тканин.

Організменний має два рівні: одноклітинний і багатоклітинний, що представляє собою цілісну систему органів, що спеціалізуються на виконанні різних функцій.

Популяція - сукупність організмів одного виду, об'єднана загальним місцем проживання.

Біогеоценоз - сукупність організмів різних видів і різної складності з усіма чинниками довкілля; взаємообумовлений комплекс живих і відсталих компонентів.

Біосфера - система вищого порядку, охоплює всі явища життя на нашій планеті. На цьому рівні відбуваються перетворення речовин, кругообіг речовин і перетворення енергії.

Властивості живої матерії:

Єдність хімічного складу. До складу живого організму входять ті ж елементи, що і до складу неживої природи, проте співвідношення їх різне. У живому організмі 97% хімічного складу припадає на вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірку. У неживій природі широке поширення мають кремній, залізо, магній, натрій.

Обмін речовин (метаболізм). У неживій природі також існує обмін речовинами, однак вони просто переносяться з одного місця на інше або змінюється їх агрегатний стан (наприклад, змив грунту, перетворення води в пару або лід).

Розмноження - здатність до самовідтворення.

Спадковість - здатність передавати свої ознаки, особливості розвитку з покоління в покоління. Вона обумовлена ​​ДНК.

Мінливість - здатність організмів набувати нових ознак. Вона створює різноманітний матеріал для природного добору. Пов'язана зі спадковістю.

Ріст і розвиток.

Подразливість - активна реакція організму на зовнішній вплив.

Ритмічність - повторення одного і того ж стану через певні проміжки часу. Обумовлено різними космічними або планетарними системами.

Відносна енергозалежність. Живі організми існують тільки до тих пір, поки в них надходить енергія у вигляді їжі; прямо чи опосередковано вони використовують енергію Сонця.

Гомеостаз - саморегуляція, самопідтримки організму; здатність зберігати стаціонарний стан і виживати в умовах безперервно змінюваного середовища.

Протистояння ентропійних процесу (негентропійної) ..

4. Клітинна теорія. Єдність органічного світу

Подання про структурні рівні організації живої матерії сформувалося під впливом клітинної теорії будови живих тіл. Клітина - це одиниця живого, найдрібніша система, яка має всі властивості живого і є носієм генетичної інформації.

У 1839 р. Т. Шванн і М.Я. Шлейден створили клітинну теорію. Її основні положення:

• Клітки - основні елементи життя, дрібні одиниці, які можна ще вважати живими.

• Всі організми складаються з однієї або багатьох клітин, подібних за будовою. Це є свідченням єдності походження і розвитку всього живого.

Сучасна клітинна теорія доповнює ці положення наступними:

• Життя забезпечується тільки клітиною.

• Нові клітини можуть виникати з предсуществующих шляхом їх розподілу.

• Цілісність і системна організація багатоклітинних організмів забезпечується взаємодією клітин.

Дослідження в області цитології показали, що клітини мають загальні властивості і в будові, і у функціях. Вони реалізують обмін речовин, саморегуляцію свого стану, передають спадкову інформацію. Клітини існують і як окремі організми (одноклітинні), і в складі багатоклітинних організмів. Вони мають різний термін існування. Життєвий цикл клітини закінчується поділом або загибеллю. Розміри клітин також дуже різноманітні. Клітини утворюють тканини, кілька типів тканин утворюють органи. Проте в природі зустрічаються організми, що не мають клітинної структури. Це віруси.

Клітини діляться на два типи: без'ядерні і ядерні. Без'ядерні клітини називаються прокаріоти (бактерії, синьо-зелені водорості) і історично є попередниками цілком розвинених, що мають ядро клітин, що з'явилися близько 3 млрд.