Концепції сучасного природознавства 5 лютого

Смоленський інститут БІЗНЕСУ ТА ПІДПРИЄМНИЦТВА

Сичов М.М.

КОНЦЕПЦІЇ СУЧАСНОГО природознавства

ЗМІСТ

Введення. Дві культури як відображення двох типів мислення

Етапи розвитку природно-наукового мислення. Історія природознавства.

Розвиток фізико-хімічної біології

Панорама сучасного природознавства і його незавершеність.

Література

Розділ 1. ФІЗИКА ОЧИМА гуманітарії: ОБРАЗИ ФІЗИКИ

Простір, час і матерія в контексті культури

Література

Тема 1.1. Фізика необхідного

Світ дискретних об'єктів - фізика частинок

Стан фізичної системи і його зміна з часом.

Імпульс, енергія і момент системи як міри руху.

Світ неперервних об'єктів - фізика полів (континуум).

Суцільна середовище та пружні хвилі

Взаємодія: концепції блізкодействія і дальнодії

Електромагнітне поле і електромагнітні хвилі

Інтерференція, дифракція та поляризація світла.

Література

Тема 1.2. Фізика можливого

Світ мікрооб'єктів - квантова фізика.

Атоми, молекули, кристали.

Періодичний закон Менделєєва

Квантові переходи і випромінювання.

Атоми і молекули

Світ реальних макрооб'єктів - статистична фізика.

Теплове рівновагу і флуктуації. Нерівноважні стани та релаксація.

Теплова фізика: від Карно до Гіббсу

Енергія, температура, ентропія.

Близький і далекий порядки в природі.

Мікропорядок і макропорядок. Близький і далекий порядок.

Фазові переходи і симетрія.

Незворотність - непереборні властивість реальності. Стріла часу.

Література

Тема 1.3. Фізика як ціле

Ієрархія структур природи

Мікросвіт

Фізичний вакуум як реальність.

Макросвіт

Мегасвіт Зірки. Галактики. Всесвіт.

Варіаційні принципи

Принцип додатковості

Принципи симетрії і закони збереження.

Література

Тема 1.4. Від фізики існуючого до фізики виникає

Сучасна фізична картина світу

Креативна роль фізичного вакууму

Етапи еволюції гарячого Всесвіту, неоднозначність сценарію і антропний принцип.

Походження галактик та Сонячної системи

Земля: походження і динаміка геосфер

Роль живих організмів в еволюції Землі

Література

Розділ 2. ЖИТТЯ

Від атомів до протожізні. Неорганічні й органічні сполуки та їх різноманіття

Кислоти, основи, солі

Хімія життя

Особливості біологічної форми організації матерії. Молекули живих систем.

Матричний синтез. Інформаційні макромолекули.

Тема 2.1. Живі системи

Принципи взаємодії організму та середовища існування.

Принципи відтворення і розвитку живих систем.

Клітинна будова організмів. Принципи структурної організації і регуляції метаболізму.

Життєвий цикл клітини.

Єдність і різноманіття клітинних типів.

Диференціація та інтеграція функцій в організмі.

Розмноження і розвиток організмів.

Смерть і її біологічний сенс.

Різноманіття біологічних видів - основа організації та стійкості біосфери.

Принципи систематики і таксономії

Плани будови і принципи функціонування представників основних таксонів.

Еволюційний та індивідуальний розвиток. Онтогенез і філогенез.

Генетика і еволюція.

Література

Тема 2.2. Людина: організм і особистість

Положення людини в царстві тварин

Відмінні особливості людини.

Мозок і вища нервова діяльність

Емоції

Природа агресії.

Природа насолод

Біосоціальні основи поведінки.

Статева поведінка людини

Походження людини

Етапи антропогенезу

Біологічні передумови та чинники антропогенезу

Проблеми цефалізаціі

Біосоціальна природа людини

Екологія і здоров'я. Біополітики

Література

Тема 2.3. Біосфера і цивілізація

Кругообіг речовини і енергії.

Біосфера

Еволюція біосфери

Ресурси біосфери

Межі стійкості біосфери

Біопродуктивність біосфери

Ресурси біосфери і демографічні проблеми

Антропогенні впливи на біосферу

Екологічна криза та шляхи її подолання

Принципи раціонального природокористування

Охорона природи

Екологія людини

Соціальна екологія

Антропоцентризм, біоцентризм і вирішення соціальних проблем

Шляхи розвитку економіки, яка не руйнує природу.

Екологічне право

Що ми можемо зробити для збереження життя на Землі?

Людина, біосфера і космічні цикли.

Література

Тема 2.4. Основні концепції та перспективи біології

Розділ 3. Еволюційно-Синергетична парадигма: ВІД ЦІЛІСНОГО природознавства До ЦІЛІСНУ КУЛЬТУРІ

Тема 3.1. Від "Буття" до "Становленню"

Формування еволюційного природознавства. Історико-філософські аспекти сучасної природничо-наукової картини світу

Тема 3.2. Принципи синергетики, еволюційна тріада і системний підхід.

Про направлення самовільних процесів

Критерій стійкості систем, далеких від рівноваги.

Порядок і ентропія

Механізми еволюції

Література

Тема 3.3. Якісні методи в еволюційних завданнях.

Почала нелінійного мислення. Простору станів системи і динамічна модель

Дисипативні системи далеко від рівноваги

Література

Тема 3.4. Динамічний хаос - фундаментальне властивість реальності

Тема 3.5. Самоорганізація в живій і неживій природі

Інформаційні аспекти синергетики

Література

Висновок.

Література

Смоленський інститут

бізнесу та підприємництва

-------------------------------------------------- ----------------------------------------

навчально-діловий центр морозівського проекту

214018, м. Смоленськ Гагаріна 22а

Телефон / факс: (0812) 65-99-13, 65-99-14

E-mail: root@businst.smolensk.su

http://globus.smolensk.ru/user/businst/welcome.htm

або

http: / / sibe. da. ru

Введення. Дві культури як відображення двох типів мислення

Проблема двох культур: від конфронтації до співпраці. Розвиток особистості і потреба в гармонії. Культура (від лат.: Обробіток, виховання, освіту, розвиток, шанування) - спосіб організації і розвитку 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.

Культура характеризує також особливості поведінки, свідомості та діяльності людей в конкретних сферах суспільного життя. Культура являє собою міру людського в людині. Надбиологического характер культури - її найважливіша особливість.

Вважається, що початково культура була єдиною, а розрив гуманітарного та природничо-наукового знання є рисою Нового часу (Теорія "двох культур" Ч. Сноу).

Існування "двох культур" іноді намагаються пояснити дефектами системи освіти, які, як здається деяким, легко виправити: досить дати студентам-гуманітаріям якісь (неминуче поверхневі) знання про досягнення природничих наук.

Однак коріння дихотомії лежать глибше. Природничі науки мають справу з Природою в цілому і з людиною, як природним тілом. Гуманітарні дисципліни - з духовним світом людини. Різні по суті об'єкти потребують різних підходів (наука - мислення в поняттях, мистецтво - мислення в образах), що в умовах диференціації наук в Новий час не могло не призвести до відомого розбіжності у розвитку двох сфер культури.

З епохи Відродження ось вже п'ять століть наука і мистецтво існують і розвиваються як самостійні і відокремлені один від одного сфери людської діяльності, і саме звідси бере свій початок проблема співвідношення науки і мистецтва (І. Т. Фролов, 1989).

Надалі в міру розвитку науки галузь мистецтва все більше віддаляється від неї. Наука все більше утверджується в якості універсальної форми пізнання.

На противагу цьому розвиваються естетичні концепції, в яких, як це мало місце у німецьких та французьких романтиків, баченню художнього генія віддається перевага перед науковим пізнанням. Це отримало філософське обгрунтування у вченні Канта про "трансцендентальної естетики", а також в "Системі трансцендентального ідеалізму", де геніальність трактується як "незбагненна", "темна невідома сила".

По Канту, геніальність може виявлятися тільки в області художньої творчості, який протиставляється в цьому відношенні наукового пізнання, де вчений може бути талановитий, навіть великий, але його досягнення доступні розумінню з допомогою розуму.

Шеллінг розвиває версію про "магії мистецтва", що реалізує "нескінченність несвідомості", називаючи його "чудом", яке недоступне кінцевому розуму. Наука тому виявляється в Шеллінга чимось нижчим у порівнянні з мистецтвом, якому "належить бути прообразом науки, і наука лише спішить за тим, що вже виявилося доступним мистецтву".

Гегель вважав мистецтво лише особливою формою пізнання, осягає істину в чуттєвій формі. Оскільки ж існують більш досконалі категоріальні форми втілення істини в науці й філософії, мистецтво виявляється підлеглим, другорядним моментом у загальному процесі осягнення абсолютної ідеї. Тим не менш Гегель показав велике пізнавальне значення мистецтва.

Гете був не тільки великим художником - поетом, письменником, а й видатним натуралістом. Він прагнув знайти єдині принципи для наукового аналізу природи і для художньої діяльності в мистецтві. Гете розвинув вчення про "первинному феномені", за яким людина в одиничному може побачити загальне, в явищі - розкрити сутність, користуючись "споглядальної здатністю судження".

У самій творчості Гете виявляється його розуміння можливої гармонії науки і мистецтва, істини і краси. Проте в теорії провідним початком у гармонії істини і краси Гете визнавав все ж мистецтво, де царює творче надприродне, демонічне, непорівнянне і недоступне для розуму.

Щоб наука не перебувала в антагонізмі до гуманізму, вона, згідно з Гете, повинна вчитися у мистецтва осягати цілісність. Наукове пізнання має бути пов'язано з критерієм краси. З іншого боку, в пізнанні природи засобами науки не слід применшувати роль образного мислення, уяви, інтуїції. Заперечуючи проти несумісності науки і поезії, він писав, що "в ході часів обидві відмінно можуть до обопільної користі знову дружньо зустрітися на більш високому рівні".

Проте в подальшому сталося ще більш різке розділення науки і мистецтва у сфері пізнання, здійснюваного в логічних, раціональних формах (наука) і інтуїтивних, ірраціональних (мистецтво). Більш того, за мистецтвом взагалі не стала визнаватися будь-яка пізнавальна функція (сцієнтизм).

У Шопегауера можна зустріти парадокс про те, що геній в мистецтві повинен бути дурний, оскільки він творить не роздумуючи.

Шеллінг вважав, що творець художнього твору "необхідно є скоріше профаном, ніж присвяченим", бо він не пізнає, а тільки "відкриває" найпотаємніші з усіх таємниць.

З іншого боку, посилюються сцієнтистські атаки на мистецтво, які все більше апелюють до сучасної науково-технічної революції, яка, здавалося, здатна захопити всіх і вся і привести до абсолютного торжества наукової і технічної раціональності.

Оскільки прогнози щодо витіснення мистецтва наукою не підтвердилися, актуальною стала проблема взаємини двох культур - "наукової" та "художньої".

Дискусія з проблеми взаємодії науки і мистецтва в умовах сучасної науково-технічної революції почалася в 1959 р., після того, як англійський письменник, фізик за освітою, Чарльз Сноу виступив у Кембриджі (США) з лекцією "Дві культури і наукова революція".

Сноу висунув концепцію "двох культур", доводячи, що духовний світ і практична діяльність західної інтелігенції дедалі виразніше поляризуються, розколюючись на дві протилежні частини: на одному полюсі - художня інтелігенція, на іншому - вчені. Їх розділяє стіна нерозуміння, а іноді навіть антипатії і ворожнечі; вони настільки по різному ставляться до одних і тих самих речей, що не можуть знайти спільної мови навіть в плані емоцій.

Художня інтелігенція вважає, що вчені не уявляють собі реального життя і їм притаманний поверхневий оптимізм, тоді як вчені схильні вважати, що біля художньої інтелігенції немає дару провидіння, що вона проявляє дивне байдужість до долі людства, їй чуже все, що має відношення до розуму, і т.п.

Не можна сказати, що Сноу пояснив причини виникнення "двох культур". Було б перебільшенням сказати також, що Сноу вказав шляхи подолання поляризації "двох культур". Однак він гостро поставив багато болючі питання і залучив до них увагу громадськості.

Книга Сноу породила бурхливі дискусії в усьому світі. У нас в країні дискусію відкрила "Комсомольська правда" 2 вересня 1959 р. статтею І. Еренбурга "Відповідь на один лист". У суперечках про значення науки і мистецтва взяли участь як "фізики", так і "лірики" - великі вчені, письменники, художники, представники громадськості.

Звичайно, з точки зору сьогоднішнього дня багато чого в цих дискусіях здається неглибоким, далеким від реальних проблем. І все ж, це був важливий етап суспільного виховання й усвідомлення проблем культури в умовах науково-технічної революції.

У ході дискусії за круглим столом, яку організував журнал "Питання філософії" (1976) учасники її підкреслювали, що традиційне протиставлення науки мистецтву, точних наук - гуманітарних відживає свій вік. Математичні методи проникають до літературознавства, теорію музики і т.д. На стику точних і гуманітарних наук виникають "дивні" на перший погляд дисципліни, наприклад, іскусствометрія. ЕОМ складають музику, пишуть вірші, створюють оригінальні зразки декоративного мистецтва.

Відмінності між "точними" і "гуманітарними" науками - це ілюзія, тому що по суті своїй світ єдиний. Для того, щоб зрозуміти багато аспектів гуманітарних наук, потрібні певні природно-наукові пізнання і навпаки (Ічасо, 1994).

... відмінність між гуманітарними і природничими науками, настільки різке в середні століття, нині не принципово, а, швидше, стадіально

(Л. Н. Гумільов. Етногенез та біосфера Землі).

У минулому столітті відомий російський фізіолог І. Сєченов говорив про те, що зрозуміти Людину можна тільки в його єдності - плоті, духу та природи, частиною якої він є. Десятком років пізніше Маркс сказав: у майбутньому всі науки про природу і суспільство повинні будуть злитися в єдину науку про Людину.

Однак наскільки глибоко буде це "злиття" і в чому конкретно воно виражатиметься?

Глибока спільність науки і мистецтва визначається тим, що і те і інше є і пізнання, і творчість. Прагнення до пізнання та творчості запрограмовано в людині генетично, воно є результатом незворотного розвитку Всесвіту в цілому, еволюційного розвитку біосфери. Єдність науки і мистецтва - найважливіший запорука подальшого розвитку культури.

У людини є здібності і до наукового, і до художньої творчості. Але, мабуть, різні сторони людської природи будуть завжди виявлятися неоднаково. Це дає підставу думати, що при всьому єдності, гармонії, взаємодії пізнавальної, раціональної та художньої, емоційно-образної діяльності вони ніколи не досягнуть того "злиття", про який інколи кажуть теоретики як про деяку перспективі людини.

Адже відмінності тут детермінуються і біологічно, оскільки, як встановила сучасна наука про мозок, кожне його півкуля сприймає світ по своєму: праве - в образно-емоційному вигляді, а ліве - в раціонально-логічному, і в різних людей діяльність півкуль мозку проявляється по різному .

Здібності до наукової та художньої діяльності будуть не "зливатися", а ще яскравіше розквітати і глибше інтегруватися. Роль мистецтва в житті людини буде все більше зростати і все більше буде підвищуватися його значення в загальному розвитку культурних цінностей людства, в тому числі етичних, що виступають у ролі своєрідного регулятора наукового пізнання.

Наука і мистецтво мають різні засоби, завдання і цілі. Прийнято вважати, що наука сприяє розумінню оточуючого нас світу, мистецтво ж прагне зрозуміти і висловити ставлення людини і до навколишнього світу, і до того, як цей світ трактує наука, і, нарешті, до того, як відображає саме мистецтво і людини, і науку , і весь навколишній світ.

І все ж у кінцевому рахунку наука і мистецтво споруджують не два різних ізольованих будівлі, в яких, відповідно до тверджень Сноу, незалежно виростають дві різні культури, а єдиний будинок - загальнолюдську культуру.

У цій будівлі наука покликана служити розуміння Істини, а мистецтво - славити, відвойовувати і створювати Красу. Досить згадати, що Істина красива, а Краса істинна, щоб зрозуміти: всі досягнення людської культури замикаються в нерозривний коло. (Є. Сєдов)

Етапи розвитку природно-наукового мислення. Історія природознавства

Вважається, що науки, складові природознавство, зародилися в Стародавній Греції. Попередній цього період у розвитку культури можна назвати міфологічним.

Давні філософські системи носили вкрай наївний характер. Індійці, халдеї, єгиптяни до науки про природу дійти не зуміли. Релігійно-містичні погляди не могли породити ідею про природної закономірності явищ.

Значно глибше й послідовніше осмислювали світ філософи античної Греції. Ось чому стародавня фізика є майже цілком фізикою греків.

Наука зародилася тоді, коли люди, осмислюючи і систематизуючи накопичений досвід, стали шукати пояснення природи в ній самій.

Перший грецький фізик Фалес Мілетський (640-550 до н.е.), родоначальник античної філософії, засновник мілетської школи, зводив все різноманіття явищ і речей до води: "Початок усіх речей - вода, з води все відбувається і все повертається до води" .

Анаксимандр (610-547 до н.е.), представник мілетської школи, - початком почав вважав якесь первинне речовина, апейрон, якісно невизначене і нескінченне, з якого виділяються первинні протилежності тепла і холоду, сухості і вогкості.

Анаксимен (бл. 585 - бл. 525 до н.е.), представник мілетської школи першоосновою всього вважав повітря, з згущення чи розрідження якого виникають всі речі.

В основі вчення натурфілософів іонійської школи лежить єдине первісна речовина, яке перетворюється в усі інші речовини і породжує весь видимий світ. (Очевидна генетичний зв'язок з сучасними уявленнями про єдиний полі).

Піфагорійці (Піфагор Самоський (582-500 до н.е.) висували на передній план не стільки первісна речовина, скільки розподіл речей у природі, їх число і міру. Містичне числове вчення згодом злилося з астрологією. Математична теорія Піфагора мало чим збагатила науку. Однак піфагорійці першими висунули ідею про кулястість Землі. При цьому вони не спиралися на будь-які емпіричні дані. Ідея грунтувалася на вимогах геометричній гармонії: Землі надали найбільш досконалу форму. У центрі Всесвіту піфагорійці помістили найчистіше з речовин - вогонь.

Геракліт з Ефеса (540,530-470 до н.е.), представник іонійської школи, висловив ідею безперервної зміни (Panta rei): усе тече. Ніхто не входив двічі в один і той же потік, бо води його, постійно поточні, змінюються ... Течуть наші тіла, як струмки, і матерія вічно поновлюється в них, як вода в потоці.

Панта рей. І ніхто не був двічі в одній і тій же річці. Тому що через мить і річка не та, і сам він уже не той.

В основі світобудови лежить вогонь: світ був, є і буде вічно живе полум'я, вічно живий вогонь, який спонтанно возжигается і згасає.

Війна - батько всього, цар усього. Все і відбувається і знищується в силу розбрату. Без боротьби немає протилежностей, без протилежностей нічому погоджуватися, немає життя, миру, гармонії. Всі розривається внутрішньої ворожнечею і прагненням до вищої єдності дружби і гармонії.

Анаксагор (500-428 до н.е.) висунув вчення про неразрушими елементах. На надгробку йому написано: "Тут спочиває Анаксагор, який досяг крайньої межі істини, пізнавши будову Всесвіту".

Головне твір Анаксагора "Про природу". Він не визнає перетворення речовини при видозміні предметів, вважаючи, що така видозміна відбувається від з'єднання і роз'єднання найдрібніших, невидимих оку частинок матерії.

Звичайно книги з атомної фізики починаються зі згадки про атоми Демокріта. Але ж це тільки розвиток ідеї Анаксагора. Більш того, він навіть на багато століть передбачив закон збереження маси, що лежить у фундаменті сучасного природознавства:

"Греки помилково вважають, що ніби щось починається або припиняється; все зводиться до поєднання або роз'єднання речей, що існували від століття. Вірніше було б визнати виникнення поєднанням, а припинення роз'єднанням ".

В основі вчення Анаксагора лежало уявлення про дух. Спочатку Всесвіт представляв собою хаос елементів, і тільки дух, розум з'єднав між собою незримі частинки. Дух Анаксагора протилежний матерії.

Ідея Анаксагора вилилася у більш суворі форми у вченні Емпедокла (492-432 до н.е.). Подібно до свого вчителя він пише книгу "Про природу", в якій висловлює своє кредо: "Божевільні вважають, що може виникнути щось ніколи не колишнє або загинути, зникнути без сліду що-небудь існуюче. Я постараюся відкрити вам істину. У природі немає виникнення того, що може померти, нема повного знищення; нічого, крім змішання і роз'єднання поєднаного. Тільки невігласи називають це народженням і смертю ".

У Емпедокла чотири стихії: земля, вода, повітря і вогонь, тобто три агрегатних стани речовини та енергія. Стихії Емпедокла незмінні і нездатні виникнути одна від одної. Вони вступають повністю або частинами в різні комбінації один з одним. У результаті виходить все "речі" Всесвіту, які у свою чергу піддаються подальшому змішання і розділення.

Левкіпп (близько 500 р. до н.е.) створив атомістичну теорію світу, яка згодом була розвинена і закінчена Демокрітом (нар. бл. 470 р. до н. Е..)

Всесвіт Демокріта - Левкіппа складається з пустого простору і нескінченної кількості неподільних найдрібніших частинок - атомів, що відрізняються не якісно (як у Анаксагора), а лише за своїм обрисом, положенню і розподілу. Тіла виникають і зникають лише за рахунок поєднання і роз'єднання атомів, так з нічого не може відбутися нічого і ніщо існуюче не може зникнути. Рух атомів обумовлено не впливом зовнішньої сили, а силою, властивою самим атомам.

З такою загальною схемою погодиться будь-який фізик. Але на відміну від Демокріта він зуміє довести, що світ побудований саме так, а не інакше.

Згідно з Платоном (429-347 до н.е.) в центрі Всесвіту нерухомо спочиває Земля, навколо якої на відстанях, відповідних гармонійними відносинам тонів, пропливають планети.

Світ видимий, світ чуттєвий є власне світ примарний, світ тіней. Цьому світу Платон протиставляє світ ідей - ідею людини, тварини, рослини, каменю. Ці ідеї - не тільки родові поняття, а й справді існуюче буття. Не будь ідей, не було б і конкретно існуючих речей. Ці останні - відображення, копії відповідають їм ідей, а ідеї - прототип, причина існування відображень.

Якщо Демокріт був переконаний у дискретності матерії, то Аристотель (384-322 до н.е.) проповідував зворотне - її безперервність. Цей великий спір пройшов крізь всю історію природознавства, не закінчився він і до цього дня.

Під природою Аристотель розумів сукупність фізичних тіл, що складаються з речовини і знаходяться в стані безперервного руху або зміни. Будь-яке рух протікає в часі і просторі. Простір суцільно заповнене матерією. Тому немає ні порожнечі, ні найдрібніших неподільних частинок - атомів, які нескінченно падають у цій порожнечі.

В основі всього сущого лежить первоматерія. Їй притаманні чотири основні властивості: вологість, сухість, тепло і холод. Різноманітність речовин у природі викликано різними поєднаннями цих властивостей. Зміна одного з властивостей - причина будь-яких перетворень. Таємниця перетворення речовин зводиться до додавання одних якостей до інших. Неблагородні метали можна перетворити на золото. Згодом алхіміки часто посилалися на Арістотеля. Тепер, у вік ядерної енергії, ми бачимо, що він, по суті, був правий.

Природничі прямолінійні руху тіл нерівномірні, кінцеві і тому недосконалі. Досконалість притаманне лише круговому руху, який протікає вічно. Безпосередньою причиною такого руху є п'ятим початок - ефір, з якого складається небо. Ідея ефіру надовго збережеться у фізиці. Вона буде удосконалюватися, видозмінюватися, але суть її залишиться колишньою - незмінною і невідчутною, як сам ефір.

Аристотель набагато більше філософ, ніж фізик. Він намагався створити цілісну картину природи. Він великий своєю спробою розкрити загальну єдність світу.

Одним з основних методів пізнання за Арістотелем є індукція: від фактів, здобутих досвідом, до деяких загальних визначень і понять, за допомогою яких можна буде пояснювати факти. Загальні принципи як вихідний пункт для дедуктивного вивчення речей і явищ. Ці загальні принципи: матерія, форма, рушійна причина і причина кінцева, або мета. У матерії дана лише можливість реального світу, у формі - здійснення цієї можливості шляхом рухів та змін, що йдуть до певної мети.

Матерія хаотична, безформна; це - буття абстрактне і потенційне, а форма - це початок структури та організації, початок актуальне, що переводить матерію в щось конкретне, вона як би завдання, мета, яку належить здійснити матерії.

Однак про ідеї Платона Арістотель сказав так: Говорити, що ідеї суть зразки, а інше в них бере участь, значить даремні слова і висловлювати поетичні метафори.

Аристотелем закінчується творчий період грецької натурфілософії. Закінчена, внутрішньо замкнута система не легко піддавалася подальшому розвитку. Та й авторитет Арістотеля був настільки великий, що мало хто наважувався на переоцінку його вчення.

Епікур (341-270 до н.е.) - атомист, послідовник Демокріта, вчив, що пізнання природи звільняє від страху смерті, забобонів і релігії взагалі.

Аристарх Самоський (бл. 320 - бл. 250 до н.е.), астроном, вчив, що Земля обертається навколо нерухомого Сонця. На заперечення, що при такому обертанні нерухомі зірки повинні були б змінити своє видиме положення, він, з повною на те підставою, вказував на величезну відстань між Сонцем і зірками. У цьому сенсі він був передвісником не тільки Коперника, але і Ейнштейна. Але геліоцентрична система не мала ще достатніх основ, вона була явно передчасною. Геоцентризм настільки всіх задовольняв, що кращі астрономи того часу не підтримали Аристарха. Його вчення було грунтовно забуте.

Тіт Лукрецій Кар (I ст. До н.е.) Поема "Про природу речей" був у нашому розумінні популяризатором науки. Тим не менш його роль у розвитку атомістики важко переоцінити. Може бути тут позначається сила мистецтва, його умовність, настільки відмінна від наукових абстракцій і аналогій, але Лукрецій в усі епохи звучить однаково сучасно.

"... Сукня сиріє завжди, а на сонці висячи, воно сохне, Бачити, однак, не можна, як волога на ньому осідає, Як і не видно того, як вона зникає від спеки. Значить, дробиться вода на такі дрібні частини, Що недоступні вони абсолютно для нашого ока ". Невеликий уривок з поеми показує не стільки те, що думали древні, а як вони думали. Це зразок ясної логіки, що приводить до однозначного висновку.

Ідеї поеми: Усі тіла природи складаються з атомів і схильні до змін. Всесвіт нескінченний - "Стріла, пущена цибулею, може летіти століття і бути все так само далеко від кінця Всесвіту, як в першу мить, коли вона була пущена".

Життя можлива на інших світах -

"А тому неодмінно ти повинен зі мною погодитися, Що існують інші земні світи у всесвіті, Як і інший рід людей та інші породи тварин ..."

Природа ніким не створена і управляється властивими їй самій законами - З нічого навіть волею богів нічого не робиться. Люди приписувати схильні божественної волі ті речі, У яких не можуть розумом своїм дошукатися причини. Якщо засвоїв ти це, повинна перед тобою природа Вічно вільної постати, не підвладної володарям гордим, рухомої волею своєю, від богів незалежної зовсім.

Птоломеєм (70-147) закінчується античний період історії природознавства.

У тринадцяти книгах Птоломей зібрав і узагальнив всі досягнення древньої астрономії. Але принципово Птоломєєвськой система світу з нерухомою Землею в центрі Всесвіту мало чим збагатила науку.

Авторитет його був визнаний одностайно і тримався довше за все. Греки, римляни, араби і християни однаково шанували його. Не один єретик згорів на багатті за посягання на Птоломєєвськой "Загальний огляд". Кілька століть католицька церква відстоювала вчення Птоломея усіма прийнятими на озброєння засобами.

Велику роль у розвитку природознавства зіграли Френсіс Бекон (1561-1626) і Рене Декарт (1596-1650).

Бекон: природу можна пізнати без досвіду - найціннішого джерела знань.

Декарт ключем до істинного знання вважає розум, вміло націлений на дослідження знову ж таки даних досвіду. Досвід, досвід і ще раз досвід. Це звучало як заклинання похмурих тіней середньовіччя.

Природа Декарта суцільно заповнена матеріальними частинками. Духовний початок її не залежить від матеріального. Основна властивість матерії-протяжність. Порожнього простору не існує. Матеріальний світ перебуває у вічному русі, що відбувається в повній відповідності із законами механіки. Звідси і всі процеси у природі можна звести до простого переміщення частинок у просторі. Декарт висуває ідею первончального поштовху, який привів у рух нескінченну безперервну протяжність.

Барух Спіноза (1632-77) відкинув дуалізм Декарта. Природа сама є бог. Вона ні в духовному початку, ні в творця не потребує. Природа - це вічна субстанція в нескінченному просторі. Вона "причина самої себе" (causa sui). Це найважливіша властивість субстанції - самій бути причиною існування і сутності всіх речей. Це властивість зустрічається в одній з найбільш цікавих гіпотез двадцятого століття - нелінійної теорії поля Гейзенберга.

Природознавство пішло саме цим шляхом. Найфундаментальніші уявлення про будову матерії і властивості часу і простору базуються на принципі "natur causa sui".

Першим дослідником, який всерйоз звернувся до ідей грецьких атомістів, був французький філософ-матеріаліст Гассенді (1592-1655).

Він не тільки виклав давню атомістики, але й розвинув її на основі накопичених за два тисячоліття фактів. Подібно Епікура, він вважав найважливішими властивостями атомів не тільки розмір і форму, а й тяжкість, яку визначав як "внутрішнє прагнення до руху", що служить джерелом всіх змін у природі.

Цікаво, що саме Гассенді вперше висуває ідею про різні переривчастих дискретних щаблях будови матерії. Він ввів поняття молекули - механічного з'єднання групи атомів.

Розробляючи вчення грецьких атомістів, Гассенді прийшов до думки, що за допомогою атомної теорії фізичні явища можна пояснити конкретним, навіть банальним способом. Суміш води та вина порівнюється ним з сумішшю двох сортів піску.

Англієць Роберт Бойл (1627-1691) був фізиком і хіміком в самому сучасному розумінні цих слів. Його девізом було "нічого зі слів". Він обрушився з критикою на алхіміків і їхні методи, показавши, що їх досягнення випадкові. На самому ділі вони нічого не знають і не можуть знати про природу речей.

Бойль вперше обгрунтував поняття "хімічний елемент". У Бойля це поняття суворо пов'язано тільки з хімічним процесом. Виходячи з хімічного взаємоперетворення речовин, Бойль задався питанням: з яких цеглин можна побудувати все нескінченне різноманіття однорідних речовин? Питання це до цих пір не знятий з порядку денного.

Він хотів знайти ті елементи, які вже не можуть бути перетворені один в інший і з яких якимось чином побудований весь навколишній світ.

Сама постановка завдання виросла з основної проблеми алхімії. Алхімія виходила з того, що всі речовини можуть бути зведені до одного, основного. Але всі спроби алхіміків здійснити подібне перетворення зазнавали краху. За допомогою хімічних методів воно, очевидно, не досягалося. Звідси напрошувався висновок, що матерія не однакова на хімічному рівні, а навпаки, існують речовини, яких ніякі хімічні процеси не змусять взаімопревращается. На відміну від Демокріта Бойль називав частинки, з яких побудована матерія, не атомами, а корпускулами (Енгельс: "Бойль робить з хімії науку").

Одним з найважливіших моментів у становленні сучасної науки треба визнати встановлення законів руху планет - законів Кеплера. Найближчий попередник Кеплера, Микола Коперник блискуче завершив роботу зі створення геліоцентричної моделі сонячної системи, розпочату ще греками (Аристарх Самоський). У моделі Коперника виявилися встановленими всі природні кінематичні масштаби - еталони довжин і часу. Це і стало вихідним пунктом нової науки. Коперник залишив два стовпці чисел - періоди і відстані і потрібно було тільки запитати, а що пов'язує числа в цих стовпцях?

Таке питання поставив собі Кеплер, який поставив перед собою мету розкрити секрети руху планет і навчитися обчислювати їх руху. Він зміг встановити свій третій закон, в якому містилася по суті динаміка системи, тобто зв'язок між часом і зміною координації.

Кеплер, вперше для натураліста, поставив питання про загальну закономірність у даних експерименту і, що найважливіше, питання про те, в чому причина таких закономірностей. До Кеплера більшість натуралістів вважало свою роль закінченою, якщо сформульовані правила, що описують явища. Тільки Кеплера не задовольняли відкриті їм закони. Він болісно запитував себе: чому? У чому полягає загальна причина руху планет? Роздуми привели його до висновку, що цю причину треба шукати в тому, що рухом планет управляє Сонце. Цим Кеплер руйнував усталену картину блізкодействія і вперше висунув ідею дальнодії. Але повну відповідь питання Кеплера отримали лише у Ньютона, який звершив створення нової картини світу, що грунтується на рівняннях механіки.

На пам'ятнику Ньютона (1643-1727) в Кембриджі вибиті слова: "Розумом він перевершував рід людський".

Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння і три основних закони механіки, створив теорію руху небесних тіл і теорію кольорів.

Кінцева мета фізики за Ньютоном: "Вивести з початків механіки й інші явища природи".

Поняття маси - геніальний і не підлягає перегляду внесок Ньютона у побудову основ сучасної фізики. Всі матеріальні тіла володіють власною масою. Матеріальні частинки наділені силами тяжіння і відштовхування, притаманними всім видимим тіл у Всесвіті.

Вчення Ньютона про масу і силі поклало кінець метафізиці взагалі. Тому "батьком фізики" варто було б вважати саме Ньютона, який розробив наукові основи світобудови замість фантастичних домислів і спекулятивних гіпотез про будову світу.

Три гіганти - Коперник, Кеплер і Ньютон побудували нову науку - механіку. Механіка стала першим лідером тільки що виник в якості самостійної науки природознавства.

Успіхи механіки в XVII-XVIII ст. були пов'язані з тим, що вона вивчала реальну бік реальних процесів природи. Середньовічна схоластика, що проголосила вчення про приховані якості, про всякого роду таємничих і невловимих субстанціях, заважала вивчати дійсні речі та їх властивості, не давала можливості рухатися вперед у пізнанні природи. Механіка вперше поставила природничо пізнання на наукову основу.

Однак механічна атомистика не пояснювала хімічних взаємодій, теплових процесів та інших явищ, з якими хіміки стикалися буквально щогодини.

Німецький лікар Ернст Шталь постулював існування "флогістону", якогось невідомого речовини без кольору і запаху, який з'єднував бойлевскіе корпускули і здійснював всі хімічні перетворення.

Теорія флогістону заворожила сучасників. Вона була прийнята одразу і беззастережно. У тому, що флогістон дійсно існує, ніхто не сумнівався. Коли з'явилися перші переконливі факти, що ставлять під сумнів теорію флогістону, її самовіддано намагалися врятувати. Теорію флогістону спростував А. Лавуазьє (1743-1794).

Ломоносов (1711-1765) також виключав флогістон з числа хімічних агентів.

Найбільшим за своїм значенням досягненням Ломоносова було експериментальне доказ "закону збереження матерії" (досвід по нагріванню в запаяному посудині свинцевих пластинок).

Ломоносов пов'язував нагрів тіла зі збільшенням поступального і обертального руху корпускул, що робило абсолютно зайвим припущення про існування флогістону.

Ломоносов впритул підійшов до поняття абсолютного нуля, як про "вищої можливою мірою холоду, викликаної повним спокоєм частинок, припиненням будь-якого руху їх". Частинки різні за масою і їм властиво рух, звідси причина всіх якісних змін у фізиці й хімії - рух.

Англійська матеріаліст XVII століття Дж. Толанд запропонував вважати рух невіддільним від матерії внутрішнім первинним властивістю: "Матерія по необхідності настільки ж активна, як і протяжна".

Погляди Толанд багато в чому визначили еволюцію уявлення про простір, час і рух. Так, у французьких матеріалістів XVIII століття рух теж виступає непорушним властивістю самої матерії. Гольбах: "Рух - це спосіб існування". Дідро висуває чисто релятивістську ідею про абсолютність руху і відносності спокою.

У 1815 р. Проут заявив, що атоми подільні. Він вказав на те, що атомні ваги елементів кратні атомній вазі водню. Звідси випливав неминучий висновок, що всі елементи побудовані з водню, атоми якого є "першими і останніми будівельними камінням" Всесвіту.

У 1865 р. Лошмідт визначив у самому першому наближенні розміри атома. Атоми виявилися незрівнянно менше тих сонячних пилинок, з якими їх порівнював Демокріт.

Новий етап атомістики почався з Майкла Фарадея (1791-1867), який зв'язав атомну теорію з електрикою. Електрика, як і речовина, теж володіє атомною структурою. Кожен атом або кожна молекула пов'язані з одним або декількома атомами електрики, хоча в той час важко було сказати, як такий зв'язок здійснюється.

Честь відкриття вільних атомів електрики, не пов'язаних з атомами речовини, випала Гитторф. За пропозицією Стонея ми назвали тепер вільні атоми електрики електронами. Так була відкрита перша елементарна частинка.

Описуючи обмін енергією між нагрітим тілом і навколишнім простором, Макс Планк припустив, що такий процес може бути не безперервним, а дискретним. Він відкрив кванти.

Кажуть, що Планк довгий час перебував у розгубленості від свого відкриття. Ідея дискретності підривала основи класичної фізики. Він не поспішав з публікацією своєї роботи. У розмові з колегами він якось обмовився, що або повністю провалився, або зробив відкриття, рівну за масштабами законам Ньютона.

У 1905 р. Ейнштейн висунув теорію, згідно якої світло не тільки випромінюється й поглинається, але і складається з неподільних квантів. Кванти світла є частки, які рухаються у вакуумі зі швидкістю 300000 км за секунду. У двадцяті роки ці частинки отримали назву фотонів. Корпускулярна природа світла може бути продемонстрована поруч класичних експериментів, але особливо яскраво існування фотонів показує фотоелектричний ефект.

Існування електромагнітних хвиль і хвильова природа світла не можуть бути спростовані. Але не можна відмовитися і від корпускулярної природи світла. Не з Планком, а саме з Ейнштейном увійшла в науку суперечлива подвійність, спочатку властива природі. І природно, що сучасники бачили в цій подвійності не лице світобудови, а всього лише незрозуміле протиріччя.

Через два десятиліття Луї де Бройль, поширивши подання Ейнштейна на всі елементарні частки взагалі, побудував хвильову механіку.

Новий світогляд включало відмову від ефіру, що означало капітуляцію благополучної Всесвіту, схожою кілька на складний годинниковий механізм з його ієрархією зубчастих коліщаток.

Поняття ефіру зародилося в той час, коли вчені спробували осмислити природу світла.

Автором першої ефірної теорії світла був голландський математик, астроном і фізик Християн Гюйгенс. Відповідно до його теорії всяке світиться тіло породжує хвилі, які, поширюючись на всі боки, досягають очей спостерігача. Подібно коливань, викликаним подзвоном. Але якщо вдарити у дзвін, що знаходиться в порожнечі, дзвону не буде. Тоді як світло, на відміну від звуку, відмінно поширюється у вакуумі, не дивлячись на відсутність середовища, здатного передавати коливання. Ця обставина змусила Гюйгенса наповнити порожнечу якимось гіпотетичним ефіром, здатним передавати хвилі світла.

Ефір означає по-грецьки "повітря", "небо", "верхні сфери". Працівники радіо і телебачення досі говорять про те, що вони готують передачі для "мовлення в ефір". Давнє слово виявилося живучим.

Ньютон беззастережно прийняв поняття ефіру, вважаючи ідею впливу одного тіла на інше на відстані у вакуумі абсурдною.

Яка б не була його природа, ефір, на переконання вчених, наповнював собою весь простір, пронизував все речовина, проникаючи між усіма атомами.

Властивості світла й справді були такі, що їх не можна було пояснити, не вдаючись до середовища, здатної передавати хвильове випромінювання на мільйони кілометрів, не послаблюючи його енергію. Але чи існує це середовище насправді? А якщо існує, то спочиває чи він нерухомо або знаходиться в безперервному русі?

Англійський математик і фізик Стокс стверджував, що Земля, обертаючись навколо осі і навколо Сонця, захоплює за собою ефір.

Французький вчений Френель вважав його нерухомим і багато підтримували такі уявлення, тому що такий ефір представляв собою ідеальну систему відліку. Щодо його можна було реєструвати абсолютний рух, не залежне від положення спостерігача. Абсолютна чи швидкість світла? Однакова вона для будь-якого спостерігача, незалежна або, навпаки, залежна від руху джерела світла?

Це були питання, на які відповідь дала спеціальна теорія відносності, це була проблема космічного масштабу, з якої витікали висновки виняткової важливості.

Досвід Майкельсона: напівпрозоре дзеркало спочатку розщеплювали промінь на два взаємно перпендикулярних, які, у свою чергу, відбившись від розташованих на рівних відстанях дзеркал, з'єднувалися знову. Досвід показав, що "ефірний вітер" не робить ніякого впливу на світ. Майкельсон прийшов до висновку, що гіпотеза нерухомого ефіру помилкова. Напрошувався висновок, що ефір, якщо він існує, не нерухомий відносно Землі.

Ернст Мах негайно ж зажадав відмовитися від ідеї ефіру. Зате лорд Кельвін продовжував по колишньому вірити в ефір. Кельвін і Релей звернулися до Майкельсона з пропозицією перевірити вплив руху середовища на швидкість світла. Результат був опублікований в 1887 році. Джон Бернал назвав його "найбільшим із всіх негативних результатів в історії науки".

Хоча досвід, як кажуть, поставив хрест на нерухомому ефірі, все ж таки залишалася можливість, що "Земля захоплює за собою ефір, надаючи йому майже ту ж швидкість, з якою рухається сама".

Через десять років Майкельсон експериментально перевірив і цю гіпотезу. Результат знову був негативним. Але щоб остаточно поховати ефір, потрібна була теорія відносності Ейнштейна. Поки ж експеримент Майкельсона-Морлі завів фізику в глухий кут.

У період 1893-1895 років два найбільших теоретика незалежно один від одного спробували врятувати ефір.

Професор дублінського Трініті коледжу Джордж Фітцджеральд дав блискуче і приголомшуюче пояснення негативного результату досвіду Майкельсона-Морлі. Він припустив, що розміри тіл змінюються зі збільшенням швидкості їх руху, стискуються в напрямку руху. Багатьом ця теорія здалася плодом хворої уяви.

Небагато, але дуже серйозні фізики-теоретики зацікавилися ідеєю скорочення. Лоренц побачив у ній підтвердження існування ефіру. Він побудував струнку математичну теорію, з якої, однак, випливало, що одного скорочення для опису рухомих тіл явно недостатньо. Доводилося вводити ще й особливий час, залежне від швидкості. Це було вже зовсім незбагненно. Цей висновок самому авторові здавався хитрощами: він не збирався зазіхати на ньютонівської "абсолютний час".

Гіпотеза Фітцджеральда-Лоренца була, поза всяким сумнівом, виключно сміливою. Вона блискуче вирішувала всі суперечності, пов'язані з досвідом Майкельсона-Морлі. Але вона цілком випливала із законів класичної фізики. Вона зробила переворот в умах, викликала бурю в науковому світі, але не змогла підірвати ньютонівської класики.

Лоренц прийшов до релятивізму від традиційних основ, які стали для нього бар'єром. Це був філософський бар'єр, який великий учений так і не зміг подолати. Згодом він говорив: "Сьогодні, викладаючи електромагнітну теорію, я стверджую, що рухається по криволінійній орбіті електрон випромінює енергію, а завтра я в тій же аудиторії кажу, що електрон, обертаючись навколо ядра, не втрачає енергії. Де ж істина, якщо про неї можна робити взаємно виключають одне одного твердження? Чи здатні ми взагалі дізнатися істину і чи має сенс займатися наукою? "

Суперечності здавалися йому нерозв'язними. Він глибоко переживав це. Останні роки його були отруєні скепсисом і відчаєм. У бесіді з А. Ф. Йоффе він якось сказав: "Я втратив впевненість, що моя наукова робота вела до об'єктивної істини, і я не знаю, навіщо жив; шкодую тільки, що не помер п'ять років тому, коли мені ще все уявлялося ясним ".

А ураган неясності наростав. Томсон виявив електрон і довів електричну природу речовини. Кюрі відкрили радій, який продемонстрував незвичайні властивості. Фізики виявили, що випускаються їм електрони рухаються зі швидкістю, що досягає багатьох тисяч кілометрів на секунду. Ще зовсім недавно це здавалося неймовірним. Німецький фізик Кауфман експериментально довів, що маса такого швидкого електрона змінюється зі швидкістю. Чим швидше рухалися електрон, тим більше була його маса. Маса перестала бути постійною величиною.

У дослідах фізиків рвався світ, створений Ньютоном. Остаточно зруйнував і в той же час врятував цей світ Ейнштейн.

Розвиток фізико-хімічної біології

Французький фізіолог Франсуа Мажанді (1783-1855) вперше показав величезне значення білка в житті організмів (годував собак їжею, в якій був відсутній білок: цукор, оливкове масло і вода).

Німецький хімік Юстус Лібіх (1803-1873) детально розробив учення про повноцінність їжі і вважав, що вуглеводи і жири служать паливом для організму. Виникло питання: чи рівне кількісно тепло, отриманої організмом від такого "палива", тепла, одержуваному при спалюванні вуглеводів і жирів поза організмом.

Макс Рубнер (1854-1932) експериментально довів можливість застосувати закону збереження енергії до організму тварини. До 1894 року він встановив, що енергія, що виділяється харчовими продуктами в організмі, точно дорівнює енергії, яку можна отримати при спалюванні цих продуктів поза організмом.

Ці дослідження завдали серйозного удару по віталізму. Ще у XVIII столітті хіміки виявили, що реакцію іноді можна прискорити введенням речовин, які, по всій видимості, не беруть у ній участі. Це явище в 1835 році Берцеліус назвав каталізом.

Здавалося імовірним, що хімічні процеси в живих тканинах можуть протікати при дуже м'яких умовах, тому що в тканинах присутні різні каталізатори, яких не існує в неживій природі.

У 1833 році французький хімік Ансельм Пейян (1795-1871) екстрагувати з пророслого ячменю речовини, які розщеплюють крохмаль до цукру. Він назвав цю речовину діастазою. Діастаза та інші подібні речовини були названі ферментами. У другій половині XIX століття стало ясно, що ферменти є каталізаторами.

У 1897 році німецький хімік Едуард Бухнер (1860-1917) довів, що ферменти можуть з успіхом діяти і поза клітинами. Це було серйозним ударом по віталізму, проте це не було його остаточним розгромом. Попереду було ще багато чого довідатися про молекули білка.

Протягом минулого століття ферменти вважалися таємничими речовинами, які виявлялися лише за їх дії. У 1926 році американський біохімік Джеймс Самнер (1887-1955) виділив фермент, що каталізує реакцію розщеплення сечовини на аміак і вуглекислий газ (уреазу) і довів його білкову природу. У 1930-1935 роках подібні роботи були виконані у відношенні пепсину (шлунок), трипсину і хімотрипсину (підшлункова залоза).

Особливо значний внесок у вивчення білків внесли шведський хімік Теодор Сведберг, американський хімік Лайнус Полінг, англійські біохіміки Макс Фердинанд Перутца, Джон Каудері Кендрю, Фредерік Сенгер.

До середини XX століття секрети молекули білка були розкриті. Але раптом виявилося, що хімічна основа життя зовсім не білок, а інша речовина. У 1944 році американський бактеріолог Освальд Теодор Евері із співробітниками довів, що генетичної функцією володіють не білки, а нуклеїнові кислоти. З цього моменту почалося енергійне вивчення нуклеїнових кислот. У 1953 році структура молекул нуклеїнових кислот була розшифрована (робота англійського біохіміка Френсіса Кріка і американського біохіміка Джеймса Уотсона).

Відкриття Кріка і Уотсона поклало початок бурхливому розвитку молекулярної біології, або, як її тепер частіше називають, фізико-хімічної біології. До головних досягнень цієї науки належать розшифрування генетичного коду і відкриття механізмів біосинтезу білка, штучний синтез гена і пересадка генів. У результаті народилася генетична інженерія, успіхи якої викликають як надії на управління спадковістю, так і побоювання, пов'язані з можливістю створення особливо небезпечного біологічної зброї.

Панорама сучасного природознавства і його незавершеність.

Перед людством стали дуже серйозні проблеми, породжені самим прогресом, вирішення яких неможливо тільки в рамках природно-наукової культури. Вирішення цих проблем передбачає не тільки об'єднання зусиль природничників і гуманітаріїв, а й перехід у стан нової єдиної культури.

Тим не менш, природознавство продовжує вирішувати свої складні проблеми, від яких залежить доля цивілізації.

Фізика, намагаючись пізнати будову речовини, відкриває все нові таємниці мікросвіту, шукає нові джерела і нові способи одержання енергії, вивчає природу гравітації і намагається побудувати єдину теорію поля. Вона вивчає властивості і поведінку речовини при наднизьких і свехвисокіх температурах і тиску.

Хімія дарує людині все нові штучні матеріали, полімери, препарати.

Біологія розкриває молекулярні механізми метаболізму, імунітету, пам'яті, спадковості, механізми вищої нервової діяльності, поведінки.

Науки про Землю зайняті проблемами освоєння Світового океану, вивченням тектоніки плит і передбаченням землетрусів, глобальними кліматичними процесами і проблемою прогнозів погоди, вирішенням проблеми падіння родючості грунтів і долями біосфери.

"Космічні" проблеми: вплив космічних факторів на людину і життя взагалі, на клімат, захист від комет і астероїдів, великих метеоритів, проблема "прибульців" і неземного життя, позаземних цивілізацій, будова і еволюція Всесвіту.

Література

Вступ до філософії. У двох частинах. М., Вид. політ. лит., 1989
Ічасо М. Про природу живого: механізми і сенс. М., Мир, 1994
Лазарєв В.В. Шеллінг. М., Думка, 1976
Нарський І.С. Кант. М., Думка, 1976
Овсянніков М.Ф. Гегель. М., Думка, 1971
Свасьян К.А. Йоганн Вольфганг Гте. М., Думка, 1989
Фролов І.Т. Про чоловіка та гуманізм. Роботи різних років. М., Вид. політ.літ., 1989, 560 с.

Розділ 1. ФІЗИКА ОЧИМА гуманітарії: ОБРАЗИ ФІЗИКИ

Простір, час і матерія в контексті культури

Явища і процеси, що відбуваються з взаємодіючими об'єктами, протікають у просторі та часі. Простір і час володіють певними властивостями, що впливають на хід фізичних явищ.

Природа Декарта суцільно заповнена матеріальними частинками. Духовний початок її не залежить від матеріального. Основна властивість матерії-протяжність. Порожнього простору не існує. Матеріальний світ перебуває у вічному русі, що відбувається в повній відповідності із законами механіки. Звідси і всі процеси у природі можна звести до простого переміщення частинок у просторі. Декарт висуває ідею початкового поштовху, який привів у рух нескінченну безперервну протяжність.

Згідно Ньютону, і простір, і час абсолютні. Це означає, що простір, в якому ми живемо, може бути уподібнено існуючому вічно, необмежено великим, нерухомому "ящику" без стінок-вмістилища матерії. Властивості цього "ящика" не змінюються з плином часу і не залежать від того, як у ньому розподілено і переміщається речовина. Час у всіх точках простору текло і тече однаково, тобто, в які б області простору ми ні поміщали годинник, часом вони будуть відраховувати з однією і тією ж швидкістю. Розподіл речовини в такому незмінному просторі і його рух визначаються дією закону всесвітнього тяжіння. Згідно з цим законом, тіла притягуються одне до одного із силою, прямо пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Оскільки час у всіх областях простору тече однаково, а сам простір незмінно, то за допомогою закону всесвітнього тяжіння завжди можна розрахувати положення і руху небесних тіл і один щодо одного, і щодо "ящика" - абсолютного простору.

У математиці властивості будь-яких простору, або, як кажуть, його метрика, визначаються видом тієї лінії, яка найкоротшим чином поєднує дві довільні точки в ньому. Як відомо з повсякденного досвіду, в просторі, в якому ми живемо, найкоротша відстань між двома точками є пряма лінія. Такий простір називається евклідовим - по імені старогрецького математика Евкліда, який першим розглянув його властивості.

Ньютонівські уявлення про простір і час вірні лише у відносно невеликих за астрономічними масштабами областях простору і для відносно коротких за тим же мірками проміжків часу. Вони перестають відповідати дійсності тільки тоді, коли мова йде про опис Всесвіту в цілому, а також в сильних полях тяжіння.

У 1916 р. А. Ейнштейн створив загальну теорію відносності, яку часто називають сучасною теорією гравітаційного поля, а також теорією структури "простору-часу". Як виявилося, ці два поняття органічно пов'язані.

Із загальної теорії відносності випливає, що реальний простір нашого Всесвіту неевклідової. Більш того, геометрія нашого простору змінюється з плином часу, а сам час тече з різною швидкістю в різних областях Всесвіту.

Відповідно до цієї теорії, геометричні властивості простору, зміна його геометрії з часом, а також швидкість течії самого часу залежать від розподілу і руху речовини - матерії. У свою чергу, рух матерії і розподіл їх у просторі залежать від його геометрії. Обидва процеси взаємопов'язані: розподіл і рух матерії змінюють геометрію простору-часу, а зміна геометрії простору-часу визначає характер розподілу і руху в ньому матерії. Ці процеси самоузгоджених. А це означає, що і простір, і час не абсолютні, а відносні - вони проявляють себе по різному в залежності від конкретних умов.

Відповідно до загальної теорії відносності, ступінь викривлення простору, тобто ступінь відхилення його від евклідової геометрії, сильнішою там, де матерія має більшою енергією. У цих же умовах час тече повільніше.

Наш простір є "плоским" в тому сенсі, що воно задовольняє всім аксіомам геометрії Евкліда. Рух вільного тіла в такому просторі є рівномірним і прямолінійним - рухом за інерцією. Рух тіл по інерції є прояв однорідності простору і часу.

Однорідність простору означає, що будь-яка його точка фізично рівноцінна, тобто перенесення будь-якого об'єкта в просторі ніяк не впливає на процеси, що відбуваються з цим об'єктом. (Один і той же фізичний експеримент, поставлений в Москві або в Нью-Йорку, дає однакові результати).

Однорідність часу потрібно розуміти як фізичну нерозрізненість всіх моментів часу для вільних об'єктів. Іншими словами, якщо об'єкти не взаємодіють з оточенням, то для них будь-який момент часу може бути прийнятий за початковий. (Свого часу Архімед відкрив закони плавання тіл. В даний час кожен з нас може легко їх відтворити).

Поблизу таких об'єктів, як, наприклад, чорні діри, простір може мати дуже складними геометричними формами. Величезні маси речовини, що містяться в галактиках і їх скупчення, викривляють простір. Однак кривизна реального простору Всесвіту мало відрізняється від нуля. Ось чому найкоротша відстань між двома точками в земних умовах і до найближчих зірок нашої Галактики є все ж таки пряма лінія.

Ейнштейн показав органічний взаємозв'язок простору і часу, відносність просторових і часових співвідношень в матеріальному світі. Простір і час визначаються розподілом і рухом мас матерії. У зв'язку з цим на зміну уявленням про нескінченну незмінною Всесвіту приходять інші уявлення.

Щоб легше зрозуміти, яка модель Всесвіту по Ейнштейну, звернемося до двовимірного простору. Уявімо собі плоске істота, "жука", що живе на розтяжною поверхні. Кинемо на цю поверхню сталева куля, поверхня прогнеться, але жук цього не помітить, тому що поза цією поверхні для нього нічого не існує. Якщо кинемо друга кулька, то він скотиться в поглиблення в першому, а жука здасться, що другий кулька притягнув до першого.

Ця аналогія дозволяє зрозуміти теорію Ейнштейна, згідно з якою поблизу всякого інертного тіла простір викривляється. У викривленому просторі найменшою відстанню між двома точками є геодезична крива. У такому просторі вільний рух тіла відбувається з геодезичної кривої.

Якщо уявити, що криволінійний рух тіл під дією сили тяжіння - це вільний рух у викривленому просторі, то можна вважати, що всяке тіло поблизу себе викривляє простір і це викривлення передається подібно хвилі, від точки до точки. Тоді не треба буде говорити про сили тяжіння.

Але рух під дією цих сил не тільки криволінійне, прискорення може змінюватися і за модулем. Щоб пояснити тяжіння зміною властивостей простору, треба перетворити час в один з вимірів простору. У теорії відносності фігурує чотиривимірний простір (четвертою координатою є час), викривлення якого дозволило Ейнштейну повністю пояснити всі явища, пов'язані з тяжінням. Це викривлення виробляють тіла. У залежності від щільності речовини геометрія такого простору може бути наближено евклідової, або геометрією Лобачевського, або геометрією Рімана.

Уявлення про викривленому просторі дали можливість побудувати моделі Всесвіту, відмінні від моделі Ньютона. За однією з моделей світ безмежний, але не нескінченний (приклад з поверхнею кулі).

У 1922 році А. А. Фрідман показав, що теорія тяжіння Ейнштейна дозволяє побудувати ще дві рівноправні моделі Всесвіту: закриту, подібно до поверхні кулі, і відкриту (розширюється циліндр).

За часів Аристотеля вважалося, що весь матеріальний світ побудований з чотирьох основних субстанцій - землі, повітря, вогню і води. Це були свого роду "елементарні частинки" природи. На початку 30-х років нашого століття сучасна наука змогла знайти більш прийнятне опис будови речовини на основі чотирьох типів елементарних частинок - протонів, нейтронів, електронів і фотонів. Це була проста і приваблива схема: за допомогою всього лише чотирьох типів елементарних частинок, дотримуючись законів квантової механіки, вдалося пояснити природу хімічних елементів, їх з'єднань і що випускаються ними випромінювань. Додавання п'ятого частки - нейтрино - дозволило пояснити також процеси радіоактивного розпаду. Здавалося, що названі елементарні частинки є основними цеглинками світобудови.

Але ця уявна простота незабаром зникла. Були відкриті позитрон і більше сотні різних мезонів. Достаток типів елементарних частинок поставило перед фізиками важке запитання про те, що лежить в основі будови речовини. І поки що не вдалося знайти ключа до вирішення загадки елементарних частинок.

Література

1. Авакян С.В., Ковальонок В.В. Невідомі явища - "витівки" плазми? / Природа, 1992, 6

2. У пошуках істини (Мігдал) / Природа, 1992, 4

3. Торн К.С. Чорні дірки і викривлення часу: зухвале спадщина

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

5. Шрейдер Ю.А. Перешкода - логіка / Природа. 1992. 1

Тема 1.1. Фізика необхідного

Світ дискретних об'єктів - фізика частинок

Вчення про дискретно, корпускулярну будову матерії виникло в античній філософії (атомистика Левкіппа - Демокріта). Згідно Демокріту матерія складається з атомів, які є межа її фізичної подільності, а простір - з амер, які є межа математичної подільності простору.

З появою фізики та хімії атомістична гіпотеза стала природничих вченням. Атом став розглядатися як найменша частина хімічного елемента, яка є носієм його хімічних властивостей. Поряд з поняттям атома було введено уявлення про молекулу, яка представляє собою найменшу кількість речовини, що вступає в реакцію.

Застосування атомістики дозволило вирішити ряд фундаментальних проблем фізики і хімії: механізм хімічних реакцій, природа теплових процесів, статистичний характер закону зростання ентропії та ін М. Планк показав, що процеси поглинання і випромінювання енергії носять дискретний характер. Ейнштейн теоретично обгрунтував ідею дискретності електромагнітного поля. Відповідно до квантової теорії будь-яка фізична поле має дискретну природу.

Дискретність проявляється і в макросвіті, де існують відособлені один від одного клітини, багатоклітинні організми, види, екосистеми.

Стан фізичної системи і його зміна з часом

Стан системи - фізична характеристика системи, обумовлена значеннями характерних для системи фізичних величин.

Стан матеріальної точки в механіці визначається завданням координат і швидкості. Закон руху m * Dv / Dt = F пов'язує її стану в різні моменти часу. Якщо відомі початкові координати і швидкість точки, а також сили як функції координат, то тим самим повністю визначається весь наступний рух матеріальної точки. Задавши будь-який момент часу з наведеної формули можна визначити координати і швидкість точки в цей момент.

Для кількісного вивчення руху будь-яких об'єктів необхідно мати систему відліку. Під системою відліку розуміють систему координат та години, пов'язані з тілом відліку.

В якості системи координат користуються прямокутної декартової системою. Як годин використовується будь-який періодичний процес, який здійснюється в природі.

Якщо в якості тіла відліку беруть вільно рухається тіло, то система відліку називається інерціальної. Інерційних систем відліку можна вибрати скільки завгодно, і всі вони будуть відносно один одного рухатися за інерцією. Немає критерію, за яким ми могли б віддати перевагу одну інерційну систему відліку інший, також інерціальної. Всі інерціальні системи відліку є фізично еквівалентними.

Яке б фізичне явище ні розглядалося, з точки зору будь-яких інерціальних систем відліку воно виглядає абсолютно однаковим. Це означає, що математична формулювання закону природи повинна бути такою, щоб вона не змінювалася при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої. Це положення у фізиці називають принципом відносності.

Якщо відомо положення матеріальної точки в одній інерціальній системі відліку, то можна визначити її положення в іншій інерціальній системі, використовуючи перетворення Галілея:

x = x '+ Vt,

t = t '

Друге рівність висловлює абсолютність часу, тобто його незалежність від вибору інерціальної системи відліку.

Рівності

Dx = Dx '

Dt = Dt '

висловлюють незалежність довжин і проміжків часу від вибору інерціальних систем відліку. Іншими словами, розміри тіл і хід часу не залежать від того, що ці тіла перебувають у стані руху.

З рівності

v = v '+ V

випливає, що швидкість є поняття відносне, її значення залежить від вибору системи відліку. Зокрема, якщо в деякій системі відліку тіло спочиває, то щодо всіх інших воно рухається з тією чи іншою постійною швидкістю. Якщо покласти v '= 0, то v = V.

Рівність

Dv / Dt = Dv '/ Dt'

означає, що прискорення тіл у всіх інерціальних системах однакові.

У 1905 році Ейнштейном опублікована спеціальна теорія відносності. Два основних постулати відрізняють спеціальну теорію відносності від класичної фізики:

1) узагальнений принцип відносності, який стверджує, що у всіх інерційних системах відліку закони механіки однакові;

2) гранична швидкість поширення взаємодій збігається зі швидкістю світла у вакуумі (Ньютонівська механіка стверджує, що в принципі можливе поширення взаємодій, передача сигналів, інформації з нескінченною швидкістю).

Перетворення Лоренца враховують існування граничної швидкості, але містять перетворення Галілея як граничний випадок, коли швидкості v <c.

З точки зору рухомих систем відліку розміри тіл або відстані між двома точками в просторі зменшуються.

Темп часу у рухомих годин сповільнюється. Перетворення Лоренца мають в сучасній фізиці фундаментальне значення. Механіку, що враховує наявність граничної швидкості c, називають релятивістської.

Два наслідки з СТО: 1 - одночасність двох подій відносна. Якщо дві події, що відбулися в різних точках, одночасні в одній інерційній системі відліку, то вони не одночасні в усіх інших системах.

2 - тіло з масою спокою m володіє енергією . Вона може виділятися, якщо зменшити масу тіла. Вона і виділяється: трохи при хімічних реакціях і в мільйони разів інтенсивніше при ядерних реакціях.

У класичній фізиці принцип відносності затверджувався лише для законів механіки. У спеціальній теорії відносності він проголошений як загальний закон природи. Згідно з ним закони природи інваріантні у всіх інерціальних системах відліку.

Закони динаміки і детермінізм Лапласа. У 1687 році Ісаак Ньютон видав свою найважливішу роботу "Початки". Ньютон не винайшов динаміку, навпаки, він максимально використовував роботи попередників, особливо детальні експерименти і міркування Галілея. Найбільшою заслугою Ньютона було повний опис динаміки рухомих тел.

Перший закон Ньютона або закон інерції: якщо діє на тіло результуюча сила дорівнює нулю, то прискорення тіла дорівнює нулю і тіло рухається з постійною швидкістю.

F рез = 0  a = 0, або v = const.

Таким чином, якщо до тіла, що знаходиться в стані спокою, не докладено ніяких сил, воно продовжує залишатися в стані спокою; якщо тіло рухається, воно зберігає постійну швидкість.

Другий закон Ньютона: Прискорене рух тіла може бути викликано тільки силою, прикладеної до цього тіла. Прискорення пропорційно діє на тіло силі, причому коефіцієнт пропорційності характеризує інерцію, або масу тіла, тобто F = ma.

Третій закон Ньютона: якщо тіло 1 діє на тіло 2 з будь-якою силою, то тіло 2 діє на тіло 1 з рівною протилежно спрямованої силою. Таким чином, будь-яка сила завжди зустрічається в парі з рівною за величиною протидіє силою, тобто F12 =-F21. Це співвідношення дозволяє нам, принаймні в принципі, дати точне визначення маси.

Третій закон виконується приблизно, але з дуже високим ступенем точності, якщо взаємодіючі тіла розташовані так близько один до одного, що дія передається за час, практично рівне нулю.

Відкриття законів механіки послужило основою для формування механістичної картини світу, згідно з якою світом правлять суворі однозначні закони, що не допускають ніяких випадковостей. Перебіг всіх процесів визначалося початковими умовами, світ видавався складається з вічних, неподільних частинок, рух яких завжди можна описати за допомогою законів механіки.

Лаплас: "Ми можемо розглядати даний стан Всесвіту як наслідок її колишніх станів і як причину для майбутніх. Розумна істота, яка могла б знати в якийсь момент часу всі діючі в природі сили, а також відповідні положення всіх складових частин природи, змогло б, за наявності достатніх аналітичних здібностей для оцінки цих даних, охопити рух небесних тіл і дрібних атомів з допомогою однієї формули. Ніщо не сховалося б від істоти; минуле і майбутнє, в рівній мірі відкриті, лягли б перед ним ".

З відкриттям статистичних закономірностей, які увійшли в науку з роботами Дарвіна, Максвелла, Больцмана, почали формуватися нові уявлення про світ, які більш адекватно відображали існуючі в ньому взаємозв'язку.

Імпульс, енергія і момент системи як міри руху

Для матеріальної точки добуток маси тіла (або частки) на його швидкість називають його імпульсом p = mv.

Енергія є здатність виконувати роботу. Існує три основних види енергії:

1) кінетична енергія, що характеризує стан руху тіла,

2) потенційна енергія, обумовлена силами, що діють на тіло з боку інших тіл,

Eпот = mgh,

3) власна енергія, пов'язана з масою спокою тіла формулою Ейнштейна

Момент імпульсу (момент кількості руху) є твір відстані від тіла до осі обертання на перпендикулярну компоненту імпульсу

L = rp = rmv.

Момент імпульсу є векторною величиною. Напрямок вектора моменту імпульсу збігається з напрямком переміщення гвинта з правою нарізкою, якщо гвинт обертається в ту ж сторону, що й об'єкт.

В ізольованій системі різні форми енергії можуть перетворюватися один в одного без втрат. Іншими словами, у будь-якому фізичному процесі енергія зберігається.

Наприклад, потенційна енергія може перетворюватися в кінетичну і назад без жодних втрат. Іншими словами, тіло масою m, падаючи з висоти h, набуває кінетичну енергію , Що дорівнює потенційної mgh.

Щоб застосовувати закони збереження для сукупностей часток (систем) або для макроскопічних тіл, слід відшукати ту точку системи або тіла, яка завжди рухається відповідно до законів збереження. Така точка називається центром мас системи.

1. За відсутності зовнішніх сил центр мас системи рухається з постійною швидкістю.

2. Якщо до системи як до єдиного цілого прикладена сила F, то центр мас набуває прискорення a = F / M, де M - загальна маса системи.

3. У відсутність моментів зовнішніх сил повний момент імпульсу системи щодо її центру мас залишається постійним.

Світ неперервних об'єктів - фізика полів (континуум)

Уявлення про континуумі також народилося в античну епоху і виразилося, зокрема, в сходах речовин і істот Аристотеля.

Поняття континууму як одне з уточнень категорії безперервності має важливі методологічні функції. Наприклад, Готфрід Вільгельм Лейбніц (1646-1716) вважав, що безперервність володіє онтологічним статусом ("Природа не робить стрибків") і виступає необхідною умовою істинності законів природи. Вчення, згідно з яким всі тіла складені з простих елементів, абсолютно правильно. Але атоми не можуть бути такими елементами: їх неподільність - фікція, бо матерія ділена до нескінченності. Неподільними можуть бути тільки атоми нематеріальні, силові. Їх Лейбніц назвав монадами.

Ідею безперервності розвинув далі Бонне (1720-1793) у формі "драбини істот": природа не терпить стрибків, всі в ній відбувається поступово і рівномірно шляхом відтінків. Ось чому між класами чи пологами організмів існують проміжні групи. Існує поступовий перехід від людини до тварини, від тварини до рослини і від рослини до мінералу.

У фізиці під континуумом розуміється ідеалізована модель єдиного фізичного простору-часу. Вона виходить шляхом ототожнення точок геометричного континууму з точками фізичного простору-часу і визначення на геометричному континуумі метричних відносин і функціональних зв'язків за допомогою уявного відтворення рухів твердих тіл (у класичній механіці) або світлових сигналів (в теорії відносності).

Відповідно до уявлень загальної теорії відносності метрична структура просторово-часового континууму детермінується розподілом щільності речовини і випромінювання у Всесвіті. Континуальна модель фізичного простору-часу - результат становлення і розвитку класичної математики та класичної (неквантовой) фізики.

Суцільна середовище та пружні хвилі

Хвилею називають поширення в просторі зміни стану. Зміна стану у фізиці означає зміну значення якої-небудь фізичної величини. Наприклад, при поширенні звукових хвиль в кожній точці простору змінюється з плином часу деформація (стиснення-розрідження), у разі електромагнітної хвилі - значення напруженості електричного і магнітного полів

Хвильовий рух виникає в тому випадку, якщо рух цієї частки впливає на рух сусідніх з нею частинок і відчуває їхній вплив.

Приклади хвильового руху: морські хвилі, звукові хвилі, електромагнітні (світлові й радіохвилі).

Якщо частки переміщаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, хвилі називаються поперечними. Якщо частки переміщаються взад-вперед вздовж напрямку поширення хвилі, хвилі називаються поздовжніми. Крім біжучих хвиль бувають хвилі стоячі. Синусоїдальна хвиля, форма якої між двома закріпленими точками залишається незмінною, а амплітуда змінюється в залежності від часу, називається стоячій хвилею.

Хвилі, що розповсюджуються прямолінійно вздовж струни або пружини, називаються одновимірними. Від джерела звуку в повітрі поширюються сферичні (тривимірні) звукові хвилі. Коливається дошка збуджує на поверхні води двовимірні плоскі хвилі.

Взаємодія: концепції блізкодействія і дальнодії

Більшість сил, з якими ми маємо справу в повсякденному житті, являють собою сили контактного типу, що виникають при зіткненні. У давнину для людей реальними були тільки контактні сили. Здавалося абсолютно неймовірним, що Сонце діє реальною силою на Землю, оскільки між цими тілами немає контакту.

Створення Ньютоном теорії всесвітнього тяжіння призвело до виникнення абсолютно нових уявлень. Відповідно до цієї теорії, Земля, Місяць, Сонце і взагалі всі планети діють один на одного певними силами, незважаючи на те, що вони не стикаються і між ними немає ніякої матеріальної середовища, яка могла б передавати дію сил.

Для опису гравітаційної взаємодії довелося ввести поняття про "дії на відстані". Ньютон не намагався пояснити, чому дія гравітаційної сили передається через порожнечу. Для вирішення проблеми сил, що діють на відстані, "винайшли" ефір. Подання про ефір проіснувала аж до початку нашого століття і було остаточно розвінчано теорією відносності Ейнштейна. Місце теорії ефіру зайняла теорія поля.

Будь-яку фізичну величину, яка має цілком певне значення в кожній точці простору, можна розглядати як величину, що характеризує поле.

З математичної точки зору полі - це довільна функція або набір функцій, координат r = x, y, z і часу t.

Більшість представляють інтерес для фізики полів є векторними; до них відносяться гравітаційне, електричне, магнітне та інші поля.

Відповідна величина, що характеризує поле, змінюється в просторі безперервно в математичному сенсі. Саме таким чином змінюються деякі фізичні величини, наприклад вектор гравітаційної сили.

Електромагнітне поле і електромагнітні хвилі

З відкриттям М. Фарадея в науку ввійшло уявлення про електромагнітне поле як про матеріальну середовищі, як про безперервну матерії, що заповнює простір. Поле є матеріальною субстанцією. Електромагнітна картина світу утвердилася завдяки роботам Максвелла.

Майкельсон довів, що світло - електромагнітне поле - сам є видом матерії, для його поширення немає необхідності в будь-якій середовищі - ефірі.

Ейнштейн, будучи ще шістнадцятирічним юнаком, подовгу розмірковував про властивості електромагнітного поля, і зокрема про те, яким уявлялося б електромагнітне поле для спостерігача, який "летить" навздогін за ним зі швидкістю світла. Згодом він розповідав, що ніяк не міг собі уявити, яким було б електромагнітне поле для такого спостерігача, і, напевно, з цієї неможливості народилася пізніше упевненість, що "промінь світла не можна наздогнати": з якою б швидкістю ми ні гналися за ним, він йде від нас зі швидкістю 300 000 км / сек - швидкість світла у всіх інерціальних системах відліку однакова. Це один з постулатів спеціальної теорії відносності.

При прискореному русі електричних зарядів виникає змінюється в часі електромагнітне поле і джерело випускає електромагнітні хвилі. Електромагнітне випромінювання володіє енергією та імпульсом. Наприклад, електромагнітне випромінювання переносить на Землю енергію Сонця і постачає її світлом і теплом, необхідними для підтримки життя. Імпульс, пов'язаний з падінням на Землю сонячної енергією, дуже малий, тому ми його не помічаємо (не відчуваємо тиску, обумовленого імпульсом світлових хвиль). Проте дія імпульсу сонячного випромінювання (радіаційне тиск, або тиск світла) можна бачити, спостерігаючи хвости комет. Під дією радіаційного тиску хвости комет спрямовані від Сонця.

Різноманіття діапазонів електромагнітного випромінювання.

{Bml ris 1. Bmp}

Електронні методи дозволяють генерувати електромагнітні хвилі з частотами до Гц. Ця область частот тягнеться від радіохвиль до мікрохвиль.

У діапазоні радіохвиль працюють звичайне радіомовлення, телебачення, повітряна і морська зв'язок, аматорські радіостанції; радіолокація і радіорелейні лінії використовують мікрохвильовий (надвисокочастотний) діапазон.

Для генерації випромінювання з частотами вище мікрохвильового діапазону використовується випромінювання атомів. Верхня межа частот, які можуть генерувати атомні системи, становить близько Гц; випромінювання більш високих частот (гамма-промені) випускається атомними ядрами.

Різні діапазони електромагнітних хвиль отримали різні назви, але всі ці види випромінювання мають єдину природу і відрізняються один від одного тільки своїми частотами

Інтерференція, дифракція та поляризація світла

У будь-яких хвильових процесах, де складаються дві або кілька хвиль, відбувається інтерференція. Імпульси протилежних знаків при зустрічі гасять один одного - це деструктивна інтерференція. Якщо знаки імпульсів однакові, то при зустрічі вони складаються - це конструктивна інтерференція.

Дифракція викликає дифрагування хвилею перешкоди і змушує хвилю розходитися після проходження через вузький отвір.

У 1808 році французький фізик Е. Малюс на підставі дослідів зі шматками ісландського шпату і спираючись на корпускулярну теорію світла Ньютона, припустив, що корпускули в сонячному світлі орієнтовані безладно, але після відбиття від будь-якої поверхні або проходження крізь анізотропний кристал вони набувають певну орієнтацію . Такий "впорядкований" світло він назвав поляризованим.

При поширенні електромагнітної хвилі в ній роблять коливання вектор напруженості електричного поля E і вектор індукції магнітного поля B. Ці вектори взаємно перпендикулярні і лежать в площині, перпендикулярної розповсюдженню хвилі. Якщо коливання вектора E відбуваються в одній площині, то говорять, що світло плоскополяризоване.

Квант світла, випромінений атомом, поляризований завжди. Однак випромінювання макроскопічного джерела світла (Сонце, електролампа) є сумою випромінювань величезного числа атомів, які випромінюють світло з різною поляризацією. Таке світло називається неполяризованим. Для виділення з неполяризованого світла частини, яка володіє бажаної поляризацією, використовують поляризатори (кристал ісландського шпату або турмаліну, штучні поляризатори).

Література

1. Анісімов В.М. Відеотермінали - загроза здоров'ю / Природа, 1995, 2

Тема 1.2. Фізика можливого

Світ мікрооб'єктів - квантова фізика

Теорія відносності Ейнштейна зажадала корінного перегляду фізичних уявлень про таких фундаментальних поняттях, як простір і час. Але ще раніше виникли питання, що стосуються фізичної природи випромінювання і речовини, їх схожості та відмінності, питання, пов'язані з внутрішньою будовою атомів і до походження радіоактивності. Спроби відповісти на ці питання, що їх у перші роки нашого століття, завершилися створенням сучасної квантової теорії.

У 1897 році англійський фізик Джозеф Томсон (1856-1940) встановив атомістичний характер негативного електрики. Зі своїх дослідів з катодними променями він зробив висновок, що вони представляють собою потік часток, які отримали назву електронів.

У 1900 році Планк, намагаючись пояснити форму спектру випромінювання абсолютно чорного тіла, зробив незвичайне припущення про те, що обмін енергією між випромінюванням і речовиною відбувається дискретними порціями, квантами. Більшість фізиків сприйняло це як "спритний фокус", що не має серйозних наукових підстав. У 1900 році ще дотримувалися думки, що всі фізичні процеси протікають безупинно, і навіть сам Планк не йшов настільки далеко, щоб припустити квантову природу всього електромагнітного випромінювання.

Ідея Планка перебувала в забутті протягом декількох років. Потім нею скористався Ейнштейн для пояснення фотоефекту і стверджував, що все електромагнітне випромінювання має квантовий характер (складається з квантів випромінювання - фотонів). Ідея Планка отримала визнання і в 1918 році йому була присуджена Нобелівська премія.

Хвильова природа світла була встановлена на початку XIX століття, коли ряд експериментів по дифракції та інтерференції світла поруйнував конкурували з хвильової корпускулярну теорію світла. Теорія фотоефекту Ейнштейна знову викликала до життя уявлення про світло, як про потік частинок. Чи не означає це, що треба відкине хвильову теорію і повернутися до старої корпускулярної? Або ж світло грає подвійну роль (то частинок, то хвиль)? Тоді може бути і електрон, який вважали часткою, веде себе подібно хвилі?

Відповіді на ці питання були отримані в 20-х роках нашого століття, коли експерименти показали, що і світло, і електрони можуть виявляти властивості як хвиль, так і часток. Цей корпускулярно-хвильовий дуалізм був введений в якості основного принципу в створювану в ті роки хвильову механіку, або квантову теорію.

Різноманітні експерименти демонструють двоїсту природу випромінювання і речовини: електрон поширюється на зразок хвилі, а світло взаємодіє подібно частинкам. Як же описати "частки світла" і "електронні хвилі"?

Випромінювання завжди складається з набору (суперпозиції) хвиль з різними частотами. Якщо ці частоти укладені у вузькій області біля центральної частоти, то інтерференція відповідних хвиль виявляється конструктивною в одній області простору і деструктивної у всьому іншому просторі. Така локалізована група коливань називається хвильовим пакетом. Хвильовий пакет електромагнітного випромінювання (тобто фотон) поширюється як ціле зі швидкістю світла. У разі фотона жовтого світла хвильової пакет складається приблизно з 600000 коливань.

В експерименті зі щілинами електрони поводяться як хвилі і створюють інтерференційні ефекти аналогічно світловим хвилям.

Два важливих висновків, що мають вирішальне значення для розвитку квантової теорії:

1. Окремі електрони або фотони виявляють хвильове поведінка, що полягає в тому, що вони здатні інтерферувати самі з собою.

2. Окремі електрони або фотони мають корпускулярне поведінка, що полягає в тому, що вони взаємодіють з речовиною тільки в дискретних точках; але вказати місця, де відбуваються такі взаємодії в кожному окремому випадку, можна тільки в ймовірносно сенсі.

Чи дійсно існує дуалізм хвиля-частка? Як розуміти той факт, що електрони і фотони з'являються іноді у вигляді частинок, а іноді у вигляді хвиль? Може бути, це "кентаври" - наполовину хвилі, а наполовину частинки? А може бути вони здатні трансформуватися з одного вигляду в інший?

Відповідь на ці питання стає ясний, якщо чітко уявити собі, що коли ми описуємо поведінку електрона або фотона, як поведінка частки або хвилі, то ми нав'язуємо класичний опис об'єктів, що мають істотно некласичну природу. Електрони і фотони не підкоряються законам класичної механіки - їх поведінка правильно описується тільки квантовою механікою. Тому немає нічого дивного, що при використанні класичних уявлень для опису квантових об'єктів виникає деяка двозначність.

Для математичного опису процесів взаємодії електронів і фотонів з речовиною вводиться величина, яка називається хвильовою функцією частинки або фотона. Ця функція зазвичай позначається буквою пси - j і використовується для обчислення ймовірності того, що частку або фотон можна виявити (за їх взаємодії з речовиною) у цій точці.

У квантовій механіці на енергію вільної частинки, що рухається в просторі, не накладається ніяких обмежень. Така частка може мати будь-яку довжину хвилі і будь-яку кінетичну енергію. Залежність між кінетичною енергією та імпульсом є квадратичної

У разі вільної частки немає відмінностей між результатами класичної та квантової механіки енергію. Проте якщо обмежити рух частинки, то обидві теорії вже не будуть приводити до однакових результатів.

Розглянемо рух частинки в обмеженому просторі між точками x = 0 і x = L. Можна уявити собі, що частинка рухається між двома непроникними стінками, здійснюючи прямолінійний рух то в прямому, то в зворотному напрямках. У цьому випадку ніяких обмежень на енергію частки не існує.

Розглядаючи рух квантової частинки при тих же умовах, ми повинні взяти до уваги її хвильові властивості. При цьому істотно, що хвильова функція частинки повинна звертатися в нуль при x = 0 і x = L, оскільки частка не має права покинути це обмежений простір. Це означає, що в "ящику" повинні поміщатися стоячі хвилі де Бройля, що можливо за умови, що на довжині 2L вкладається ціле число довжин хвиль.

Імовірність виявити частинку в будь-якій точці всередині "ящика" пропорційна квадрату псі-функції. У результаті всередині "ящика" є області, де ця ймовірність дорівнює нулю, що суперечить класичним уявленням.

Частка у "ящику" може мати тільки певними значеннями енергії. На відміну від класичного варіанту квантова частинка може мати на параболі залежності E від p тільки окремі значення (точки).

Другий важливий результат полягає в тому, що частинки заборонено мати нульову кінетичну енергію, тобто частка всередині "ящика" не може перебувати в стані спокою. Бо в цьому випадку частка мала би рівний нулю імпульс і, отже, нескінченно велику довжину хвилі де Бройля.

Під часткою ми розуміємо щось локалізоване в просторі. Відповідно до класичної теорії, частка в кожен даний момент займає цілком визначене положення і має точно визначену швидкість руху.

Квантова теорія не може передбачити результат окремого події, однак вона дає з великою точністю середні значення для великого числа подій. У цьому й полягає основний зміст принципу невизначеності.

Принцип невизначеності є одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму випромінювання і речовини. Хвилю не можна локалізувати у просторі, і тому будь-яке вимірювання положення об'єкта, виявляє хвильові властивості, принципово пов'язане з невизначеністю.

Атоми, молекули, кристали

Першу кількісну теорію атома розробив в 1913 р. датський фізик Нільс Бор (теорія атома водню). Він прийняв запропоновану Резерфордом модель атома із зосередженим в центрі ядром і зовнішніми електронами. Відповідно до класичної теорії така система може бути стійкою, якщо електрони перебувають у русі. Таким чином, атом повинен бути подібний до мініатюрної Сонячній системі, в якій роль Сонця грає ядро, а планет - електрони. Однак відповідно до класичної теорії рухомі електричні заряди повинні випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Розрахунки показували, що електрон в атомі водню повинен випроменить всю енергію за мізерну частку секунди (близько 10 ^-9 с). Проте в атомі цього не відбувається.

Бор припустив, що класична електромагнітна теорія до атома не застосовна, що енергія електрона не губиться на випромінювання, коли він рухається по орбіті; електрон випромінює енергію тільки тоді, коли він здійснює перехід між двома дозволеними орбітами, причому енергія испущенного фотона дорівнює різниці енергій електрона на цих орбітах.

Для збудженого атома радіус орбіти становить м. При порушенні атома електрон перескакує на одну з більш віддалених від ядра орбіт. Радіуси можливих орбіт описуються формулою

де - Постійна Планка, m - маса електрона, e - заряд електрона, n - головне квантове число, що фіксує порядковий номер орбіти електрона.

Таким чином, Бор припустив, що момент імпульсу електрона квантуется.

Бор піддався суворій критиці за спробу повалити панували протягом століть класичні теорії. Сам Бор утруднявся дати належне пояснення фундаментального значення такої дивної суміші класичної динаміки і гіпотези квантування. Минуло понад 10 років, перш ніж розвиток нової квантової механіки дозволило пояснити чудові результати Бора.

До середини 20-х років стало ясно, що теорія будови атома Бора-Зоммерфельда, будучи сплавом як класичних, так і квантових уявлень, не може дати повного і задовільного пояснення властивостей атомів. У 1925-1926 рр.. народився новий погляд на природу атомних процесів, заснований не на використанні орбіт електронів і електронних "стрибків" з однієї орбіти на іншу, а на описі хвильових властивостей електронів. Класичне уявлення про орбітах було відкинуто; його замінила хвильова механіка чи квантова теорія елементарних процесів.

У 1925 р. Вернер Гейзенберг і Ервін Шредінгер дали еквівалентні математичні описи поведінки електрона, а Гаудсмит і Уленбек ввели поняття спина електрона. У наступному році Макс Борн дав імовірнісну інтерпретацію хвильової функції. У 1928 р. Паулі сформулював принцип, що дозволив пояснити розташування атомних електронів з оболонок (у даній електронній системі, в атомі або молекулі, стану всіх електронів різні), Гейзенберг сформулював принцип невизначеності, а П. А. М. Дірак розробив релятивістську квантову теорію.

Ці досягнення дозволили отримати відповідь майже на будь-яке питання, пов'язаний з будовою атомів. За своїм значенням квантова теорія порівнянна, а може бути і перевершила сформульований Ньютоном закон всесвітнього тяжіння і пояснення руху планет.

Мікрочастинка не має положення та швидкості в макроскопічному розумінні цих понять. Звичайні механічні величини застосовні в мікросвіті з обмеженнями. Істота справи полягає в тому, що не можна розглядати ізольовано електрон, поза взаємодії з іншими мікрочастинками. Отже, не можна говорити і про траєкторії електрона в атомі, його орбіті.

В атомі немає електронних орбіт, є електронне хмара. Атомне ядро як би оточене хмарою негативного заряду, особливо щільним на тих відстанях від ядра, які Бор вважав радіусами орбіт. Ця хмара є хмара ймовірності знаходження електрона. Електронні хмари мають різну форму в різних атомів. Форма і довжина хмари змінюються при зміні енергії атома.

Чи можна уявити собі електрон? (В атомі) Орбітал дають нам уявлення тільки про те, в яких точках простору найімовірніше знаходження електрона в даний момент часу. Сказати ж точно, де він знаходиться в даний момент часу в атомі, ми не можемо тому, що це неможливо взагалі. І уявити собі електрон ми не можемо, тому що в нашому світі немає наочних об'єктів, з якими можна було б його зіставити.

При розгляді стану електрона в атомі фізики вводять уявлення про електронний хмарі. Форма і ефективні розміри його визначаються квантовими числами n і l і змінюються при переході електрона з одного стану в інший - ототожнювати електронне хмара з електроном не можна.

Щоб описати розміри і форму електронної хмари, використовується функція "пси" (хвильова функція), яка дає можливість визначити ймовірність виявлення електрона з даними квантовими числами в деякому елементі об'єму.

Що рухався по орбіті електрон можна розглядати, з одного боку, як якусь корпускул (з певними масою, енергією, зарядом), а з іншого - як певну хвилю, довжина якої укладається на довжині орбіти ціле число разів (це число є головне квантове число).

Стан електрона в атомі визначається набором квантових чисел:

n - головне квантове число, 1,2,3 ... - Число рівнів енергії. При

n = 1 значення енергії відповідає основному станом атома. В основному стані атом має найменшим значенням енергії. Усі стану атома при n> 1 називають збудженими.

Суттєвою особливістю всіх атомів і молекул є їх здатність утримувати електрони в обмеженій області простору. Внаслідок хвильової природи частинок вільний електрон, рух якого обмежено розмірами цього простору L, повинен вести себе подібно звукової хвилі, що розповсюджується то в одну, то в іншу сторону в приміщенні з абсолютно відбивають стінками. Відповідно з умовою звернення в нуль хвильової функції електрона на кордонах простору припустимі лише хвилі, у яких на відрізку довжиною L укладається ціле число півхвиль. Таким чином, припустимі лише певні хвильові функції, або, інакше, певні стани електрона. Ці умови такі ж, як для випадку стоячих хвиль на струні.

Отже, електрон - частинка з певним зарядом і масою, що проявляє специфічні хвильові властивості і набуває тому дискретні значення енергії в атомі або молекулі.

Друге квантове число l називають орбітальним або побічним, воно підкреслює "нерівноцінність" всіх електронів в даній оболонці.

Орбітальний момент імпульсу квантуется, приймаючи лише значення, кратні h:

L = lh, l = 0, 1, 2 ... n - 1 Орбітальне квантове число - l може мати тільки позитивні значення від 0 до n-1.

Форма електронної хмари залежить від значення квантового числа l. Якщо воно дорівнює нулю, то електронне хмара має сферичну форму. Якщо - 1, то форму обертання, отриману з "вісімки". При великих значеннях - більш складну форму.

Так як момент імпульсу - вектор, він має не тільки чисельне значення, але і напрямок. Зазвичай не існує такої фізичної величини, яка мала б виділений напрям в просторі, і тому напрямок L не має значення. Однак у магнітному полі деякий напрям в просторі виявляється виділеним. Зв'язок магнітного поля з напрямком моменту імпульсу обумовлена тим, що орбітальний електрон подібний крихітному магніту, і тому взаємодіє з магнітним полем.

Так як рухомий заряд негативний, магнітний момент, обумовлений орбітальним рухом електрона, спрямований протилежно моменту імпульсу і, подібно до нього, квантуется: величина проекції моменту імпульсу на напрямок поля визначається квантовим числом m.

Взагалі проекція орбітального моменту на напрямок поля дорівнює

Lz = mh,

де m - магнітне квантове число, яке може мати значення-l, - l + 1,-l + 2, ... -1, 0, 1, ... l-2, l -1, l, тобто всього 2 l +1 значень.

Крім того, електрон, як що знаходиться всередині атома, так і вільні, має якийсь внутрішній, так званий власний момент імпульсу, званий спіном, S.

S = sh, де s - спінове квантове число, яке може мати тільки одне значення: s = 1 / 2. Тому існують тільки дві дозволені проекції S на обраний напрям +1 / 2 і -1 / 2, так як проекції L і S можуть відрізнятися тільки на величини, кратні h.

І в класичній, і в квантовій фізиці заряджене тіло, що володіє моментом кількості руху, є магнітом.

Орбітальний магніт направлений по осі орбіти. Що стосується спінового магнетизму електрона, то для його наочного зображення слід представити електрон у вигляді твердого тіла, що обертається навколо власної осі (по-англійськи to spin - крутити дзига).

Але у електрона немає орбіти, і дзигою він не є. Тим не менше він має і орбітальний і спіновий магнетизм.

Таким чином, електрон в атомі характеризується чотирма квантовими числами n, l, m, s, виражають чотири фізичні величини: енергію, орбітальний момент кількості руху, його проекцію на виділений напрям у просторі (напрямок магнітного поля) і таку ж проекцію спінового моменту. Без цих квантових чисел не можна зрозуміти основних властивостей атома, а також фізичного сенсу періодичного закону Менделєєва.

Періодичний закон Менделєєва

Очевидно, що періодичністю повинні мати властивості електронів в атомах. Якщо атоми складаються з ядер і електронів, і електрони можуть існувати в різних станах, то саме ці електронні стану відповідальні за фізичне і хімічне поводження атомів.

Для розуміння розподілу електронів за доступними їм станам необхідно мати на увазі два принципи.

Перший: при інших рівних умовах електрон повинен перебувати в тому стані, в якому його енергія мінімальна. Якщо електрону повідомлена велика енергія і він має можливість перейти на більш низький енергетичний рівень, то він це зробить. При цьому надлишок енергії виділиться у вигляді світла чи іншим шляхом.

Другий принцип - заборона Паулі. Розберемо послідовно будова атомів ряду елементів, пам'ятаючи, що атомний номер елемента висловлює число електронів в атомі.

Водень. Найменше можливе значення енергії єдиного електрона в атомі H відповідає найменшому значенню головного квантового числа n, тобто 1. Отже, l = 0 (найбільше значення l є l-1), m = 0 і s має довільне значення +1 / 2 чи -1/2.Главное квантове число записується цифрою, а число l - буквою: l = 0 - s , l = 1 - p, l = 2 - d, l = 3 - f і т.д. (G, h, i, ...) Отже, в атомі водню електрон має стан 1 s. В атомі гелію He - два електрони. Вони обидва можуть бути в стані 1 s, але згідно з принципом Паулі їх спінові числа повинні мати різні знаки: +1 / 2 і -1 / 2. Позначивши спінові числа стрілками, можна уявити стану атомів водню і гелію наступним чином:

1 s

H 

He  

У літію три електрони. Третій електрон вже не може потрапити в клітинку 1s (принцип Паулі не допускає цього). Отже, у третього електрона має зрости головне квантове число: n = 2. Він потрапляє в стан 2s.

1 s 2 s

Li   

Be     

У кожній клітинці може бути не більше двох електронів. П'ятий атом бору повинен потрапити в наступну клітину. Але при n = 2 число l може мати вже два значення: l = 0 і l = 1. При l = 0 число m дорівнює 0 і тільки 0, а при

l = 1 m має три значення -1, 0 і 1. Відповідно стану з n = 2,

l = 1, тобто 2p, належить вже три клітинки, в кожній з яких може поміститися по два електрони з антипаралельними спинами.

Теорія і спектроскопія показують, що заповнення p-клітин відбувається за правилом: електрони розташовуються насамперед по клітках, що відповідають різним значенням квантового числа m так, щоб всі спінові стрілки дивилися в одну сторону. Це означає, що сумарний спін атома повинен бути максимальним.

У атома He електронами використані всі можливості, що відповідають головному квантовому числу n = 1, і таких можливостей тільки 2. У атома Ne заповнені всі клітинки, що відповідають n = 2; таких клітин 4 і в кожній по 2 електрони, всього 8 електронів.

У наступного за неоном елемента Na починається нова оболонка: одинадцята електрон попадає в стан 3s і т.д.

Сказаного досить, щоб зрозуміти, чим визначається періодичність властивостей елементів, відкрита Менделєєвим. За фізичні і хімічні властивості атома відповідальні перш за все його зовнішні електрони - ті електрони, у яких головні квантові числа мають найбільше значення. Володіючи найбільшою енергією, ці електрони легше інших можуть бути відокремлені від атома, вони далі відстоять від ядра і легше піддаються різним впливам. Внутрішні електрони, що входять до складу заповнених оболонок, захищені від цих впливів зовнішніми електронами.

Квантові переходи і випромінювання

Майже всі властивості атомів - хімічні, електричні, магнітні, оптичні і т.д. - Залежать від змін зовнішніх електронів. Тільки у випадку дуже сильного впливу на атом у гру вступають сильно пов'язані внутрішні електрони.

Якщо повідомити атому достатню енергію за рахунок зіткнення з швидким електроном (як це відбувається у рентгенівській трубці) або опромінюючи його фотонами великої енергії, то вдається вибити один з внутрішніх K-електронів. Електрон з більш віддаленої від ядра L-оболонки перейде на K-оболонку і займе місце, що звільнилося, випускаючи при цьому жорсткий фотон. Врешті-решт, після всіх переходів з однієї оболонки на іншу і випускання серії рентгенівських квантів, з навколишнього середовища зовнішньою оболонкою буде захоплений вільний електрон і атом повернеться в електрично нейтральне стан.

Атоми і молекули

Ядра мають позитивний електричний заряд і оточені роєм негативно заряджених електронів. Таке електрично нейтральне освіту називають атомом. Атом є найменша структурна одиниця хімічних елементів.

Атомні електрони утворюють досить пухкі і ажурні оболонки. Розподіл електронів по оболонкам підпорядковується певним правилам, встановленим квантовою механікою. Електрони, що знаходяться на зовнішніх оболонках атомів, визначають їх реакційну здатність, тобто їх здатність вступати в з'єднання з іншими атомами.

Зв'язок атомів можлива, якщо спільна зовнішня оболонка цілком заповнена електронами. Така освіта називають молекулою. Молекула є найменша структурна одиниця хімічної сполуки. Число можливих комбінацій атомів, що визначають кількість хімічних сполук, становить близько 106.

Деякі атоми (вуглецю і водню) здатні утворювати складні молекулярні ланцюги, які є основою для утворення макромолекул, які виявляють вже біологічні властивості.

У природі лише деякі атоми існують поодинці, оскільки у більшості елементів атоми хімічно нестабільні. Для того, щоб атом був стабільним, його зовнішня електронна оболонка повинна бути заповнена певним числом електронів (у водню і гелію - 2, у решти - 8).

Атоми з незаповненими зовнішніми електронними оболонками здатні вступати в хімічні реакції, утворюючи зв'язки з іншими атомами. Реакції супроводжуються перегрупуванням електронів, у результаті якої зовнішня електронна оболонка у кожного з атомів виявляється заповненою.

З'єднанням називають речовину, в якому атоми двох або більше елементів об'єднані в певному співвідношенні. З'єднання характеризується певним складом і певним набором властивостей, що відрізняються від властивостей елементів, з яких воно складається. Наприклад, властивості води відрізняються від властивостей водню і кисню, з яких вона складається.

Молекула - це дрібна частка з'єднання, зберігає всі його властивості (з'єднання з іонними зв'язками, як наприклад, NaCl, складаються не з молекул, а з іонів). Атоми можуть з'єднуватися в молекули, якщо енергія пов'язаних атомів виявиться меншою, ніж сумарна енергія ізольованих атомів.

Кристал утворюється шляхом регулярного повторення розташування атомних груп у просторі. Існує 14 різних основних типів кристалів. Кристали можуть бути іонними (кристали кухонної солі) і ковалентними (графіт, алмаз). Метали утворюють ще один тип кристалічних структур, в яких зовнішні електрони не пов'язані з яким-небудь певним атомом; ці електрони можуть вільно переміщатися всередині металу (електрони провідності). Метали з вільними електронами в міжатомну просторі є хорошими провідниками. У іонних і ковалентних кристалах кожен електрон пов'язаний з певним атомом або парою атомів; вільні електрони відсутні. Тому кристали типу NaCl або алмазу погано проводять електрику.

Світ реальних макрооб'єктів - статистична фізика

Вихід книги Дарвіна "Походження видів" (1859) співпав з відкриттям Дж. Максвеллом статистичного закону про розподіл молекул за швидкостями, який допускає випадкові події. З теорією природного відбору Дарвіна і законом Максвелла в науку ввійшло уявлення про динамічних і статистичних закономірностях. Перші точно визначають поведінку окремих тіл, другі - ймовірність поведінки тіл, що входять у великі ансамблі.

У фізиці, хімії та біології зустрічаються статистичні закономірності, відмінність яких від законів механіки полягає в тому, що статистичні закономірності керують системами, що складаються з величезного числа об'єктів, схильних випадковим подіям. Випадковими називають події, які залежать від безлічі причин, зв'язку між якими не представляється можливим встановити. Але при багаторазовому повторенні випадкових подій виявляються певні закономірності.

Згідно з уявленнями того часу чиясь смерть чи народження, хороша погода сьогодні чи війна в майбутньому були зумовлені існували до цього розташуванням і швидкістю частинок, що складають Всесвіт. "Природа проста і не розкошує зайвими причинами", - стверджував один з творців механістичної картини світу - Ісаак Ньютон. З відкриттям статистичних закономірностей, які увійшли в науку з роботами Дарвіна, Максвелла, Больцмана, почали формуватися нові уявлення про світ, які більш адекватно відображали існуючі в ньому взаємозв'язку.

Статистична фізика прийняла завершений вигляд після робіт американського фізика Дж.У.Гіббса, який дав загальний метод обчислення усереднених макроскопічних величин для довільної системи.

Для опису руху планет, космічного корабля, роботи простих механізмів використовують рівняння механіки, які дозволяють визначити положення і швидкості всіх частин системи. Але рівняння механіки стають безсилими, коли число частинок в системі дуже велике, наприклад, коли треба описати поведінку газу або електричного струму.

Статистична фізика вивчає властивості складних систем - газів, рідин, твердих тіл і їх зв'язок з властивостями окремих частинок - атомів і молекул, з яких ці системи складаються. Для таких систем не потрібно занадто детального опису. Не можна виміряти енергію і імпульс всіх молекул газу. У газі ми вимірюємо тиск, який є результат ударів великої кількості молекул; опір кристала є наслідок великого числа зіткнень електронів з атомами. У всіх фізичних системах, що складаються з великого числа частинок, вивчаються величини, усереднені по багатьом частинкам.

Ансамбль (статистичний) - сукупність однакових фізичних систем багатьох частинок, що знаходяться в однакових макроскопічних станах, у той час як мікростану можуть бути різними.

Теплове рівновагу і флуктуації. Нерівноважні стани і релаксація

Релаксація - процес встановлення термодинамічної рівноваги в макроскопічної фізичній системі. Під часом релаксації розуміють час встановлення рівноваги в системі. Час релаксації істотно залежить від розмірів системи, а саме воно росте зі збільшенням розмірів макротіл. Це означає, що малі частини макросистеми приходять в рівновагу значно швидше, ніж все тіло в цілому.

У зв'язку з цим можна ввести поняття про локальному рівновазі, тобто рівновазі в точці, під якою розуміється елемент об'єму тіла, досить малий в порівнянні з розмірами самого тіла, але містить досить велику кількість молекул або атомів.

При локальному рівновазі "точка середовища" характеризується свої місцевим значенням температури, а сама нерівноважна середу описується "полем температур". З плином часу неповне рівновагу всієї замкнутої системи перетворюється в повне, температура для всіх її частин поступово вирівнюється. У рівноважних системах тиск і температура постійні по всьому об'єму тіла. Якщо ж у тілі є якесь розподіл тисків і температур, значить система нерівноважна. Через наявність перепадів (градієнтів) тиску в такому тілі виникають внутрішні макроскопічні руху, які характеризуються деяким розподілом швидкостей.

Теплова фізика: від Карно до Гіббсу

С. Карно, "Роздуми про рушійну силу вогню і машинах, здатних розвивати цю силу", 1824 р. Основна ідея: теплова машина виробляє роботу завдяки передачі тепла від джерела - нагрівача, що знаходиться при температурі T1, до холодильника, що знаходиться при температурі T2 < <T1, тобто від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. С. Карно вперше розробив метод циклів. Цикл - це послідовність процесів, які повертають в кінцевому рахунку всю систему беруть участь у них тіл в первинний стан. На основі циклу Карно сформульований другий закон термодинаміки.

Згідно з другим законом термодинаміки, у всякій ізольованій (тобто не відчуває ніяких впливів з боку інших тіл) системі мимовільно протікають тільки такі процеси, які приводять її в стан, що не змінюється в подальшому з плином часу. Такий стан системи називається тепловим рівновагою. Воно може досягатися в системі і тоді, коли вона не є ізольованою, але перебуває в незмінних зовнішніх умовах.

Добре відомий приклад: тепло завжди переходить від гарячого тіла до холодного, поки температури обох тіл не стануть однаковими і не встановиться теплова рівновага. Однак поняття теплового рівноваги значно складніше.

З точки зору кінетичної теорії стан теплової рівноваги виникає як результат рівності швидкостей прямої і зворотного процесів (наприклад, рівності швидкостей випаровування та конденсації в замкнутому посудині з рідиною).

Слід підкреслити, що рівність це виконується лише в середньому (для не занадто малих проміжків часу і не дуже малих обсягів): при переході до малих часів і малим обсягами спостерігаються відхилення від теплової рівноваги, або флуктуації, обумовлені неточним збігом швидкостей протилежно спрямованих елементарних процесів у кожен даний момент.

Стан теплової рівноваги стійко. Поняття теплового рівноваги застосовується не тільки до вирівнювання температури внаслідок перенесення тепла, до фазовим перетворенням, до хімічних реакцій, але й до будь-яких явищ природи - фізичним, хімічним, біологічним, космічним: будь-яка система при незмінних зовнішніх умовах з плином часу завжди приходить в стан теплового рівноваги і ніколи мимовільно з нього не виходить.

Термодинаміки встановлює критерії теплового рівноваги. Американський фізик Дж.У.Гіббс, один з творців класичної та статистичної термодинаміки, придумав для розрахунку рівноваг метод термодинамічних потенціалів, або характеристичних функцій.

Згідно Гіббсу, існують такі функції, які в стані теплової рівноваги досягають мінімуму. Наприклад, якщо процес відбувається при заданих температурі і тиску, то в стані теплової рівноваги мінімуму досягає вільна енергія Гіббса; в теплоізольованій системі, що знаходиться при постійному обсязі, - внутрішня енергія.

Енергія, температура, ентропія

Німецький фізик Р. Клаузіус ввів функцію S, яку він назвав ентропією і сформулював другий закон термодинаміки (1865): "При самовільних процесах в системах, що мають постійну енергію, ентропія завжди зростає".

Ось кілька рівноцінних формулювань другого початку термодинаміки:

1) неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто машину, яка працює за рахунок тепла навколишнього середовища;

2) роботу можна отримати лише вирівнюючи перепади будь-яких параметрів системи (температури, тиску, електричного потенціалу);

3) у замкнутої (тобто не одержує енергії ззовні) системі приріст ентропії завжди позитивний;

4) всі мимоволі протікають процеси в замкнутих системах йдуть у бік найбільш ймовірного стану системи.

Австрійський фізик Л. Больцман відкрив фізичний зміст ентропії і причини її зростання в ізольованих системах: ентропія - міра безладу в системі. Повний порядок відповідає мінімуму ентропії; будь безлад збільшує її. Максимальна ентропія відповідає повного хаосу. Ентропія рідини більше, ніж твердого тіла; а ентропія газу більше ніж ентропія рідини.

Больцман вперше ввів поняття термодинамічної "ймовірності стану системи". Будь-яка система, що складається з дуже великого числа частинок, буде переходити від станів менш ймовірних до станів більш імовірним, що здійснюється великим числом способів. Зв'язок між ентропією S і числом способів реалізації даного стану (термодинамічної ймовірністю) P дає формула Больцмана: S = klnP + const, де - Постійна Больцмана. Або S = klnW. Читається ця формула так: ентропія замкнутої системи прямо пропорційна натуральному логарифму термодинамічної ймовірності стану системи.

Коли ентропія системи досягає максимуму, то ніякі процеси в ній неможливі. Але при цьому необхідно розрізняти мікропроцеси і макропроцеси. У природі незворотні всі макроскопічні процеси, вони протікають у напрямку зростання ентропії. Необоротним є такий процес, який у зворотному напрямку може протікати тільки як одна з ланок складнішого процесу.

Одному й тому ж макросостоянію може відповідати безліч мікростану, які з плином часу безперервно змінюють один одного, хоча на макрорівні може не спостерігатися жодних змін. Дія закону зростання ентропії при протіканні процесів в замкнутих системах проявляється тільки на макрорівні.

Ентропія, як і енергія, - функція стану системи. Енергія проявляється в роботі. Енергія як функція стану системи характеризується певними координатами, а робота дорівнює різниці енергій системи при переході її з одного стану в інший.

Відповідно до закону збереження енергії всі форми руху матерії можуть переходити одна в іншу. Але існують "пастки", в яких різні види руху матерії перетворюються на тепловий рух-тертя, електричний опір, теплопровідність. А це перетворення необоротно. Врешті-решт уся енергія системи перетворюється в енергію теплового руху і розсіюється в навколишньому просторі, а ентропія системи досягає максимуму.

Енергія і ентропія завжди поруч. Енергія дає життя кожному листку, травинці, рух хмар, річок, вітру. А ентропія? Якби її не було, всі процеси в світі стали б оборотними. Книга зісковзне на підлогу і розповзеться на волокна, розкрутиться гайки і гвинти, на нас обрушиться какофонія звуків, яку вироблять всі сталися на Землі удари грому, постріли, вибухи, музика, мова людей ... У такому світі всі види руху матерії будуть довго перетворюватися один в одного без втрат, але як би ми прожили в цьому світі?

Близький і далекий порядки в природі

Близький порядок - щодо впорядковане розташування сусідніх частинок всередині малих обсягів речовини. Далекий порядок - регулярне періодичне розташування частинок речовини за всього займаного ним об'єму.

Суворе визначення порядку і безладу математики дали лише десь на початку 60-х років ХХ століття.

Порівняємо два записи:

1) 1010101010101010101010101010101010101010

2) 1100001101010000001110101000001110011001

Для запису першого числа досить сказати: повтори набір 10 двадцять разів, для запису другого потрібно продиктувати всі 40 цифр.

Ступінь безладу може бути визначена обсягом інформації, яку треба повідомити для запису числа.

3) 000011100000001111111111000000011111100000000

Даний запис характеризується мікроскопічним безладом (послідовності цифр чергуються як попало), але макроскопічними порядком (часто зустрічаються довгі послідовності нулів і довгі послідовності одиниць).

Тіло або система з ідеальним макроскопічними безладом, в якому всі напрямки рівноцінні, називається ізотропним.

Тіло, в якому різні напрямки нерівноцінні, називають анізотропним.

Розподіл молекул у газах є прикладом осуществляющегося в природі повного, досконалого безладу в розташуванні і русі частинок.

ХасХс (гр.) - повний безлад. Хдаос - у давньогрецькій міфології безодня, наповнена мороком і туманом, з якого відбулося все існуюче.

Мікропорядок і макропорядок. Близький і далекий порядок

Модель 1: мішки з картоплею, укладені штабелями. Центри мішків утворюють правильну тривимірну грати, а всередині мішка повний безлад. Макроскопічний дальній порядок є, мікроскопічного немає.

Модель 2: мішки з картоплею звалені як завгодно, у кожного в середньому дванадцять сусідів. Від далекого макроскопічного порядку ми позбулися, а ближній залишився.

Розподіл порядку на ближній і дальній, на макроскопічний і мікроскопічний можуть поєднуватися, як завгодно, і всі випадки дійсно зустрічаються в світі молекул і кристалів.

Особливо цікаві такі поєднання в світі живого, де ми знаходимо випадки відсутності мікроскопічного порядку і наявності далекого макроскопічного. Така ситуація в структурі м'язів, в молекулах ДНК.

Якщо молекули надані самі собі і на них не діють заважають їх тепловому руху сили, то найбільш вірогідним є безладне розподіл молекул. Безладним є такий стан, коли середні швидкості молекул у всіх точках простору однакові.

У будь-якій області знань ми стикаємося з проблемами порядку і безладу (інформація, генетика, судження людей ...) Наприклад макроскопічними порядком володіють судження людей про спортивні досягнення (вимірювані в балах), про поняття добра і краси ...

Фазові переходи і симетрія

Переходи речовини з однієї фази в іншу при зміні стану системи називають фазовими перетвореннями. Фаза - сукупність тілесних об'єктів з певним хімічним складом і термодинамічними властивостями, відокремлена від інших фаз поверхнею розділу. Або інакше: фаза - це однорідна частина неоднорідної системи.

Фазовий перехід - перехід речовини з однієї термодинамічної фази в іншу при зміні зовнішніх умов.

Фазовий перехід першого роду - супроводжується стрибкоподібним зміною внутрішньої енергії і щільності.

Фазовий перехід другого роду - відсутня стрибкоподібне зміна внутрішньої енергії або щільності.

Фазові переходи другого роду пов'язані зі зміною порядку. Поблизу температури фазового переходу ступінь порядку як завгодно близька до нуля. Тому фазовий перехід другого роду не вимагає витрат енергії.

При фазових переходах другого роду відбувається зміна внутрішньої симетрії тел. Прикладами таких переходів можуть служити: 1) перехід металу в надпровідний стан, 2) переходи феромагнетик - парамагнетик; 3) перехід рідкого гелію в свертекучее стан.

Незворотність - непереборні властивість реальності. Стріла часу

Світ - це безперервно хаотично рухаються атоми і молекули. Проте як це пов'язати з гармонією і красою навколишнього нас макросвіту?

Джон Холл (XVII століття): "Якщо те, що ми називаємо Всесвіту, випадково зародилося з атомів, які невтомні в своєму вихровому русі, то як сталося, що ти прекрасна, а я закоханий?"

Чим пояснюється спрямованість процесів в навколишньому світі? Закон, за допомогою якого можна передбачити напрямок еволюції будь-якої фізичної системи, називається другим початком термодинаміки. Одна з його формулювань говорить: замкнута система сама по собі, тобто мимовільно, переходить з менш ймовірного стану в більш ймовірне.

Закон зростання ентропії можна сформулювати наступним чином: у всіх замкнутих системах ентропія ніколи не убуває, вона або залишається постійною, або зростає. Відповідно до цих двох можливостям всі процеси, які можуть відбуватися з тілами, діляться на оборотні і необоротні. Перші з них можуть протікати як у прямому, так і в зворотному напрямках, оскільки ентропія при цьому не змінюється; для других - це неможливо, оскільки пов'язано зі зменшенням ентропії.

На думку ряду авторів, що спостерігається в лабораторних експериментах напрямок часу тісно пов'язане з напрямком часу, характерним для Всесвіту в цілому. Можливо, слід припустити існування деякого взаємодії (може бути, гравітації), наявність якого взагалі робить в принципі неможливим сувору ізоляцію системи, і саме це взаємодія "диктує" напрямок часу у всіх частинах Всесвіту (Ф. Кемпфер, 1972).

Розвиток матеріальних систем у Всесвіті відбувається необоротним чином - від минулого до майбутнього. Це означає, що протягом часу асиметрично: воно спрямоване від минулого (через сьогодення) до майбутнього, причина завжди передує слідству, "стріла часу" завжди спрямована в майбутнє.

Не слід занадто спрощено розуміти зв'язок стріли часу з космологічними процесами: стріла часу не буде змінювати свій напрям на протилежне, якщо Метагалактика коли-небудь перестане розширюватися і почне стискатися. Якщо спостерігачі могли б тільки по годинах судити про що відбуваються у Всесвіті процесах, то вони, ймовірно, навіть не помітили б, що розширення Метагалактики змінилося стиском.

Література

Аронов Р.А. Квантовий парадокс Зенона / Природа, 1992, 12
Ільїн В. Г., Ілясов Ю.П., Кузьмін А.Д. Пульсари - незалежні стандарти часу / Природа, 1990, 2
Кіржніц Д.А. Елементарна довжина / Природа, 1991, 10
Фролов В.П. Чорні діри, "кротові нори" і машина часу / Природа, 1991, 8
Хокінг С. Стріла часу / Природа, 1990, 1

Тема 1.3. Фізика як ціле

Ієрархія структур природи

Виділяють три великих структурних рівня організації Всесвіту:

- Мегасвіт (Галактики, Метагалактика)

- Макросвіт (людина, навколишнє середовище, планета)

- Мікросвіт (елементарні частинки, атоми, молекули)

З точки зору фізиків ієрархія об'єктів природи виглядає наступним чином: елементарні частинки - ядра - атоми - молекули - макротела (кристали, рідини, гази, плазма) - планети - зірки - галактики-Всесвіт. Біологи пропонують наступну ієрархію біологічних систем: макромолекули - органели - клітини - тканини - органи - системи органів - організми - популяції - види - біоценози - біосфера.

У соціологи можна виділити такі рівні соціальної організації: сім'я - рід - плем'я - нація - цивілізація (?)

Мікросвіт

Елементарні частинки та фундаментальні взаємодії. У природі існують якісно різні пов'язані системи об'єктів - ядра, атоми, макротела, зоряні системи. Існує щось таке, що скріплює частини системи в ціле. Щоб зруйнувати систему частково або повністю, потрібно затратити енергію. Взаємний вплив частин системи характеризується енергією взаємодії, або просто взаємодією.

В даний час прийнято вважати, що будь-які взаємодії яких завгодно об'єктів можуть бути зведені до обмеженого класу основних фундаментальних взаємодій: сильному, електромагнітному, слабкого і гравітаційної.

Гравітаційна взаємодія (тяжіння). Тяжіння тіл до Землі, існування сонячної системи і галактик обумовлено дією сил тяжіння, або, інакше, гравітаційними взаємодіями.

Ці взаємодії універсальні, тобто застосовні до будь-яких мікромакрооб'ектам. Однак вони істотні лише для астрономічних об'єктів, для формування структури й еволюції Всесвіту як цілого. Гравітаційні взаємодії дуже швидко слабшають із зменшенням маси об'єктів і практично не грають ролі для ядерних і атомних систем.

Джерелом гравітації є маси тіл, а дальність гравітаційної взаємодії необмежена.

Закон всесвітнього тяжіння (Ньютон): гравітаційна сила, з якою притягуються одна до одної дві частки (тіла), обернено пропорційна квадрату відстані між їх центрами і прямо пропорційна добутку їх мас.

де G - гравітаційна постійна =

Електромагнітні взаємодії. Ними обумовлені зв'язку в атомах, молекулах і звичайних макротела. Радіус їхньої дії також не обмежений, але воно переважає всередині речовини: визначає хімічні зв'язки, випромінювання світла, намагнічування, словом, всі явища, що спостерігаються в молекулах і атомах. Гравітаційна взаємодія тут не позначається через його малої сили, а слабку і сильну - через їх короткого радіусу дії. Енергія іонізації атома, тобто енергія відриву електрона від ядра визначає значення електромагнітного взаємодії, що існує в атомі.

Сильні (ядерні) взаємодії. Наявність в ядрах однаково заряджених протонів та нейтральних частинок говорить про те, що повинні існувати взаємодії, які набагато інтенсивніше електромагнітних (в сотні разів), бо інакше ядро не могло б утворитися. Ці взаємодії проявляються лише в межах ядра на відстані менше 10 ^-13 см. Сильна взаємодія скріплює нуклони в ядрі і кварки всередині нуклонів.

Нуклон-нуклона сила не є "чистою" силою тяжіння. На відстанях порядку 10 ^-14 см вона стає силою відштовхування. Ми до цих пір не знаємо природи цих сил в усіх деталях; їх розгадка є однією з головних проблем сучасної ядерної фізики.

Слабкі взаємодії. Слабка взаємодія існує між будь-якими парами елементарних частини. Радіус їх дії не більше, ніж у ядерних сил, а може бути, і дорівнює нулю.

Виявлена в 1896 році Беккерелем радіоактивність була першим сигналом про наявність слабких взаємодій. Виявилося, що слабка взаємодія бере участь у деяких термоядерних реакціях, що підтримують випромінювання Сонця та інших зірок.

Воно є єдиним взаємодією, що існують між електроном і нейтрино

Ця взаємодія віртуально (на короткий час) перетворює кожен протон ядра в нейтрон, позитрон і нейтрино, а кожен нейтрон - в протон, електрон і антинейтрино.

Слабка взаємодія викликає переходи між різними типами кварків, бета-розпади нуклонів в ядрах. При бета-розпаді один з трьох кварків, складових нуклон, переходить в кварк іншого типу і випромінює електрони і антинейтрино.

Нейтрони мають масу, що перевищує приблизно на 1 МеВ суму мас протона і електрона. Тому вільний нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино з виділенням енергії приблизно 1 МеВ. Час життя вільного нейтрона приблизно 10 хв.

Аналогічне подія відбувається з мюонів - він розпадається на електрон, нейтрино і антинейтрино. Перед тим, як розпастися, мюон живе близько 10 ^-6 с.

40 років знадобилося фізикам, щоб прийти до переконання, що слабка взаємодія переноситься надмасивними частками - в 100 разів важче протона. Ці частинки мають спін 1 і називаються векторними бозонами (відкриті в 1983 р.)

Значна кількість повільних розпадів елементарних частинок супроводжується випромінюванням нейтрино. Ця частка вкрай слабо взаємодіє з речовиною. Довжина шляху між двома зіткненнями нейтрино з частинками речовини в середовищі зі звичайною щільністю - 10 ¹⁷ км. Отже, Земля для нейтрино абсолютно прозора.

За своєю величиною основні взаємодії розташовуються в наступному порядку: сильне (ядерне) - електричне - слабке - гравітаційне.

Фізики намагаються вловити зв'язок між силами природи. З'ясувалося, що електромагнітне і слабка взаємодії пов'язані один з одним. Електромагнітне поле являє собою частину більш загального електрослабкої поля, що складається з декількох компонент. Елементарні частинки - кварки і лептони - випромінюють і поглинають кванти електрослабкої поля, якими є фотони і бозони.

Радіус дії слабких сил см. На цьому масштабі вони об'єднуються з електромагнітними силами, а на менших масштабах електрослабких поля нероздільні.

Далі починається область гіпотез. Відповідно до більшості з них, електрослабкої взаємодії об'єднуються з сильними на масштабі див. Важко уявити собі експерименти на таких малих масштабах. Однак вирішальний експеримент для перевірки цього, так званого Великого об'єднання може бути проведений в найближчі роки. Справа в тому, що майже неминучим наслідком Великого об'єднання є нестабільність протона. Це процес, при якому в нуклонах відбуваються перетворення кварків в антикварки і лептони.

Вірогідність таких перетворень дуже малі, інакше просто не існували б не ми самі, ні навколишня нас ядерна матерія - вона б розсипалася на більш легкі частинки. За теоретичними оцінками час життя протона має складати років. Це набагато більше, ніж вік Всесвіту. Але навіть такі вкрай рідкісні події можна спробувати виявити.

Інше ймовірне наслідок Великого об'єднання - це існування монополів, одиночних магнітних зарядів. Їх маса повинна бути фантастично велика. Досліди з виявлення космічних монополів зараз ведуться.

Ейнштейн припускав можливість об'єднання електромагнітної взаємодії з гравітаційним. Тепер це буде Супероб'едіненіе - всі чотири сили природи зводяться до однієї, виходячи з якогось фундаментального принципу. Останнім часом все частіше висловлюється думка, що цей принцип геометричний, як і принцип загальної теорії відносності.

Протон. Стабільна частка, ядро атома водню. Разом з нейтронами протони утворюють атомні ядра всіх елементів, причому число протонів в ядрі визначає атомний номер елемента. Протон має позитивний електричний заряд в точності рівний абсолютній величині заряду електрона. Протон в 1836 разів важче електрона. З сучасної точки зору протон не є істинно елементарною частинкою: він складається з трьох кварків. Експерименти з розсіювання електронів на протонах свідчать про наявність усередині протонів точкових розсіюючих центрів. Розміри протона близько див. Протон нагадує хмара з розмитою кордоном, що складається з народжуються і анігілюють віртуальних частинок. Час життя протона років, що у багато разів більше віку Всесвіту ( років). Тому протон практично стабільний, що зробило можливим утворення хімічних елементів і в кінцевому підсумку поява розумного життя.

Нейтрон. Разом з протонами нейтрони входять до складу атомних ядер. Електричний заряд дорівнює нулю. Складається з трьох кварків. Стійкий лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон - нестабільна частка, що розпадається на протон, електрон і електронне антинейтрино. Час життя нейтрона близько 15 хв. Вони виникають в природі або виходять в лабораторії в результаті ядерних реакцій. Маса нейтрона 1840. Вільні нейтрони здатні активно взаємодіяти з атомними ядрами, викликаючи ядерні реакції. Вони грають важливу роль в ядерній енергетиці.

Кварки спочатку розглядалися як суто математичні структурні елементи, що відкривають можливість зручного опису адронів. Експерименти виявили наявність всередині нуклона точкових заряджених утворень, які ототожнили з кварками.

Назва була запозичена М.Гелл-Маном в одному з романів Дж. Джойса. У перекладі з німецького "кварк" - "сир", але в романі це слово означає щось двозначне і таємниче; герою сниться сон, де чайки кричать: "Три кварка для містера Марка". Термін увійшов у науковий обіг, можливо, тому, що відповідав двозначною і таємничої ролі кварків у фізиці.

Кварк - частка зі спіном 1 / 2 і дробовим електричним зарядом. Крім спина кварки мають ще дві внутрішні ступені свободи - "аромат" і "колір". Кожен кварк може перебувати в одному з трьох "колірних" станів, які умовно називають "червоним", "синім" і "жовтим". Всі три стану однаково поглинають і випромінюють кванти світла. Маси всіх колірних станів також строго однакові.

"Ароматів" відомо п'ять і передбачається існування шостого: truth, beauty, charmed, strange, down, up (правдивий чи істинний, чарівний чи красивий, зачарований, дивний, вниз, верх). Властивості кварків з різними "ароматами" різні.

Кожен кварк може бути забарвлений в будь-який з трьох кольорів, мати по два спінових стану +1 / 2 і по два зарядових стану. Це дає 6x3x2x2, тобто 72 варіанту.

Звичайне речовина складається з найлегших u-і d-кварків, що входять до складу нуклонів ядер. Більш важкі кварки народжуються штучно.

Кварки беруть участь у всіх відомих взаємодіях - гравітаційних, слабких, електромагнітних і сильних. Невідомо, з чого складаються самі кварки, можливо, вони елементарні. Їх власний розмір, у всякому разі, менше .

У вільному стані кварки досі не спостерігалися, і є теоретичні міркування, які вказують на неможливість таких станів для кварків.

Лептони - частинки, що не беруть участі в сильній взаємодії. Лептони як і кварки, розглядають як безструктурні точкові частинки, як істинно елементарні.

Електрон - негативно заряджена елементарна частинка, носій найменшої відомої зараз маси, і найменшого електричного заряду в природі. Заряд електрона приблизно дорівнює Маса електрона приблизно

Електрон стабільний, час його життя не менше років. Електрони беруть участь в електромагнітних слабких і гравітаційних взаємодіях.

Нейтрино - електрично нейтральна частинка. Ймовірно існує не більше 4-6 типів нейтрино. Маса спокою нейтрино зазвичай вважається рівною нулю, як у фотона. Але на відміну від фотона для цього немає серйозних підстав. Японські й американські фізики визначили масу спокою електронного нейтрино в межах 11 - 13,4 еВ/с2.

Нейтрино настільки ж поширена частка як і фотон. Нейтрино утворюється в слабких розпадах атомних ядер і елементарних частинок. Потужні потоки нейтрино випускаються зірками в результаті відбуваються у їхніх надрах термоядерних реакцій. Передбачається, що нейтрино в достатку народжуються при гравітаційному колапсі зірок. Нарешті, весь простір заповнений нейтринних газом, що залишився від ранніх етапів розвитку Всесвіту.

До частинкам - переносникам взаємодій відносяться: глюони, фотони і масивні проміжні бозони.

Взаємодії елементарних частинок представляються як своєрідна гра в м'ячики: перебросом глюонами здійснюється зв'язок між кварками, обмін фотонами відбувається в актах взаємодії електрично заряджених частинок, масивні проміжні бозони відповідальні за повільні розпади частинок і за надзвичайно слабка взаємодія всіх типів нейтрино з речовиною.

Фотон - квант електромагнітного поля, елементарна частинка з нульовою масою спокою і спіном, рівним одиниці. Маса спокою, рівна нулю, означає, що фотон неможливо ні зупинити, ні сповільнити. Незалежно від своєї енергії він приречений рухатися з фундаментальної швидкістю c.

Фотон - найбільш поширена з усіх елементарних частинок. Він зустрічається і в потоках видимого світла, і в рентгенівському випромінюванні, і у вигляді радіохвиль, і в лазерних імпульсах.

У 1964 р. американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вільсон виявили, що світовий простір заповнений міліметровими радіохвилями, які можна розглядати як холодний фотонний газ при температурі 2,7 K. За сучасними уявленнями, це випромінювання (його називають реліктовим) виникло на ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Середня щільність реліктових фотонів становить близько 500 в 1 см3. Цікаво, що щільність протонів у Всесвіті в середньому не більше одного на 1 м3. Таким чином, у Всесвіті фотони зустрічаються в мільярд разів частіше, ніж протони.

Античастинки. До теперішнього часу експериментально виявлені античастинки майже всіх елементарних частинок. Частка і відповідна античастинка мають однакові часи життя, однакові маси, їх електричні заряди рівні, але протилежні за знаком. Найхарактернішим властивістю пари частинка-античастинка є здатність анігілювати (самознищується) при зустрічі з перетворенням у частки іншого роду.

Античастинки можуть збиратися в антиречовина. Так у Серпухові на прискорювачі отриманий антигелі-3, у якого ядро складається з двох антипротонів і одного Антинейтрон і оточене оболонкою з пари позитронів.

Частинки і відповідні їм античастинки однаково взаємодіють з полем тяжіння; це вказує на відсутність "антигравітації".

Незважаючи на мікроскопічну симетрію між частинками і античастинками, у Всесвіті до цих пір не знайдені області зі скільки-небудь помітним вмістом антиречовини. Свідченням присутності антиречовини у Всесвіті було б потужне анігіляційна випромінювання, що приходить з областей дотику речовини з антиречовиною. Адже анігіляція тільки 1 г речовини і антиречовини призводить до виділення Дж енергії, що еквівалентно вибуху середньої атомної бомби в 10 кілотонн.

Всесвіт в основному складається з звичайної речовини. Але так було не завжди. На ранній стадії розвитку Всесвіту при дуже великих температурах кількість частинок і античастинок збігалося: на велику кількість антипротонів (приблизно на кожні кілька мільярдів) доводилося стільки ж протонів і ще один "зайвий" протон. Надалі при охолодженні Всесвіту все частка і античастинки проаннігіліровалі, породивши в кінцевому підсумку фотони, а з нікчемного надлишку частинок виникло все, що нас тепер оточує.

Ідея про виникнення у Всесвіті асиметрії між частинками і античастинками вперше була висловлена А. Д. Сахаров.

Ядра. Атомні ядра представляють собою пов'язані системи протонів і нейтронів (нуклонів). Маси ядер завжди трохи менше суми мас вільних нуклонів, що складають ядро. Це релятивістський ефект, який визначає енергію зв'язку ядра.

На відміну від маси електричні заряди ядер суворо дорівнюють сумі зарядів, що входять в ядро протонів. Відомі ядра з зарядом від 1e до 107E і з числом нуклонів від 1 до приблизно 260. Особливо стійкими ядрами є ядра з числами протонів або нейтронів 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, що одержали назву магічних.

Щільність маси ядер Радіуси ядер від (Ядро гелію) до (Ядро урану). Періоди напіврозпаду змінюються в межах від років до с.

Фізичний вакуум як реальність

Фізика мікросвіту описується квантовою механікою та теорією відносності, і ці дві теорії не допускають існування порожнечі. Якщо відкачувати повітря з замкнутого судини, то в принципі можна видалити всі речовина, але при цьому все-таки не вийде класичної порожнечі.

Що ж залишиться в "порожньому" посудині? У вакуумі є квантові флуктуації полів і віртуально народжуються частинки.

Вакуум - це стан з найменшою енергією при відсутності речовини. Але відсутність речовини ще не означає відсутності частинок. Як відомо, число часток не зберігається в реакціях. Зберігаються енергія, електричний, баріонів і лептонний заряди, але число частинок може змінюватися.

Якщо прикласти достатньо енергії, з вакууму можна народжувати частинки. Справа в тому, що енергія може переходити в поле, а поле - в частинки.

Ну а якщо не прикладати енергії і розглядати властивості чистого вакууму? Здавалося б, ці властивості ніяк не пов'язані з властивостями частинок, які народжуються з вакууму в присутності джерел енергії. Так було б у класичній механіці, але в квантовій механіці це не так. Відоме співвідношення невизначеностей призводить до того, що на короткий час будь-яка система може перейти в стан, що відрізняє на дельта E по енергії.

Такі переходи називаються віртуальними. Так як з теорії відносності енергія може переходити в масу, то віртуальні переходи відповідають народженню частинок на короткий час. Наприклад для протона цей час одно близько с.

В атомній фізиці ефекти, викликані віртуальними частинками, досить незначні. Однак чим більше дрібні частки розглядаються, тим більшу роль відіграє навколишній їх вакуум зі своїми віртуальними частинками. Наприклад, в ядерному речовині протони мають меншу масу, ніж у вакуумі, де до цієї маси додається маса "налиплих" віртуальних пі-мезонів.

На рівні кварків властивості вакууму вже грають вирішальну роль. Неможливість існування вільних кварків, цілком ймовірно, пов'язана саме з колосальними змінами, які одиночний кварк викликає у вакуумі.

На свехмалих відстанях властивості вакууму ще більш загадкові. Несподівано виникає зв'язок квантових ефектів з гравітаційними. Надважкі віртуальні частинки створюють навколо себе помітне гравітаційне поле, яке починає спотворювати геометрію простору. Але поки що неможливо уявити собі, які б то не було експерименти при дуже великих енергіях і в таких малих масштабах простору.

Макросвіт

За певних умов однотипні атоми або молекули можуть збиратися у величезні сукупності - макроскопічні тіла (речовина). Проста речовина є атомарним, складне - молекулярним.

При достатньо низьких температурах всі тіла є кристалічними. У кристалах взаємне розташування атомів є правильним. Для них характерно рівноважне положення у вузлах кристалічної решітки. Їхній рух зводиться до коливань поблизу цих вузлів.

Геометрія кристалічного стану відрізняється надзвичайною різноманітністю, але число типів грат обмежена. Властивості речовин визначаються не тільки характером атомів, але і їх взаємним розташуванням (графіт і алмаз). Тіла можуть сильно відрізнятися у відношенні механічних, теплових, електричних, магнітних і оптичних властивостей.

Переважна більшість твердих тіл має кристалічну будову. Навіть глина складається з маленьких кристалів. Властивості твердого тіла залежать від будови кристалічного зерна, розміру кристалів, їх взаємного розташування і сили, зчіплюються їх в єдине тіло.

Загальний порядок в розташуванні кристалічних зерен називається текстурою. Наявність текстури дуже сильно впливає на механічні властивості виробу.

Аморфні тверді тіла протиставляються кристалам і за деякими властивостями вони швидше, мають бути зараховані до рідин, ніж до твердих тіл. Аморфне тіло типу скла містить ознаки як твердого, так і рідкого тіла: розташування атомів володіє лише ближнім порядком, але атом у своєму русі залишається в незмінному оточенні - сусіди не обмінюються місцями.

До аморфним тіл відноситься велике число органічних речовин, наприклад, пластмаси, органічні скла.

"Рідкі кристали" або рідке тверде тіло - до цього обширного класу речовин відносяться багато органічних і біоорганічні речовини. Такий стан спостерігається в певному інтервалі температур. Якщо нагріти рідкий кристал, він перетвориться на звичайну рідину, якщо охолодити - стане кристалом.

Ці речовини поєднують в собі властивості рідини і кристала. Виявлено два типи рідких кристалів: у першому розташування молекул має ближнім порядком, проте всі молекули розташовуються паралельно один одному, у другому - молекули розташовуються шарами.

Мило, розчинена у воді, утворює рідкі кристали, з чим пов'язані його миючі властивості. Мильний розчин складається з великого числа подвійних шарів молекул.

При підвищенні температури відбувається фазовий перехід кристал-рідина (плавлення). Кожна речовина має свою строго певну температуру плавлення.

У рідкому стані атоми вже не є строго локалізованими. Тепловий рух у рідинах носить досить складний характер.

Молекули рідини здійснюють в основному коливальні рухи, положення рівноваги не строго фіксовані, але молекула залишається в оточенні все тих же сусідів. Легкість, з якою молекула може змінювати своїх сусідів, пов'язана з в'язкістю.

При переході рідини в пар (випаровування) при атмосферному тиску речовина практично повністю втрачає свою індивідуальність. Це пов'язано з малою щільністю газоподібного речовини. У розріджених газах по суті відсутня взаємний вплив атомів, а значить, не проявляється їх індивідуальна атомна структура. Гази всіх речовин (при нормальних умовах) з хорошою точністю підпорядковуються однаковим закономірностям.

Подальше підвищення температури веде до іонізації атомів, тобто розпаду їх на іони і вільні електрони. Такий стан речовини називають плазмовим.

Оскільки іони і електрони на відміну від атомів несуть не скомпенсованих електричні заряди, їх взаємний вплив стає суттєвим. Плазма в противагу газам може проявляти колективні властивості, що зближує її з конденсованими станом, тобто з твердими тілами і рідинами.

Макротела астрономічного масштабу - планети. Маса Землі приблизно г, радіус - 6400 км, середня щільність 5,5 г / см ^3. У надрах планет речовина знаходиться під високим тиском. При стисненні речовини проявляється тенденція "згладжування" його властивостей. Зовнішні електронні оболонки атомів, відповідальні за "індивідуальність", при тисках атм перестають існувати, бо входять до їх складу електрони відриваються від атомів і стають колективними.

Земля - планета рідка. Це твердження звучить парадоксально, оскільки течії речовини Землі майже непомітні для нас. Вони, проте, існують, їх швидкість становить декілька см в рік. У результаті за 0,5 млрд. років земна поверхня змінюється дуже істотно.

По справжньому твердої є тільки тонка (20-40 км) оболонка-кора Землі. Речовина на глибинах від 40 до 400 км здатне текти під впливом високих температур і тисків.

Мантією називають весь шар глибиною від 40 до 2920 км, де температура надр підвищується приблизно до 4,5 тис. градусів. Нижче мантії речовина знаходиться в розплавленому стані. Це рідке ядро Землі радіусом 3450 км. Нарешті, в самому центрі Землі є ще внутрішнє тверде ядро радіусом 1250 км, що складається з речовини з щільністю близько 13 г / см ^3.

Кора Землі, названа літосферою, складається з окремих плит, повільно переміщаються один щодо одного. Нова земна кора утворюється в районах серединно-океанічних хребтів, а стара кора, покрита трикілометровим шаром опадів, зникає, пірнаючи під континенти.

Взаємні переміщення плит, народження і руйнування твердої кори Землі супроводжуються землетрусами. Коли занурюється плита літосфери потрапляє в зону високих температур, відбуваються хімічні реакції, що перетворюють її осадовий шар. При цьому утворюються гази і водяні пари, які вулканами вивергаються в атмосферу, і можливо, що органічна речовина опадів частково переходить в нафту.

Саме вулканічна діяльність призвела до появи первинної атмосфери Землі, а вода, що утворилася при диференціації речовини мантії, склала Світовий океан.

Мегасвіт Зірки. Галактики. Всесвіт

Сонце: маса г, радіус км, середня щільність , Знаходиться від Землі на відстані близько см, який світло проходить за 499 с - це відстань називають астрономічної одиницею а.о. Найдальша від Сонця планета Плутон знаходиться від нього на відстані близько 39,75 а.о.

Центральні області Сонця мають температуру близько K і тиск близько атм. У цих умовах речовина є повністю іонізованої плазмою: голі ядра і вільні електрони. При цьому стають можливими термоядерні реакції (злиття ядер водню і перетворення їх в ядра гелію), які служать джерелом енергії зірок. Маса Сонця 1030 кг.

Галактики - це зоряні системи. Число зірок у них порядку . Наша Галактика складається приблизно з зірок. З боку вона являє собою диск, що товщає до центру. Це диск має спіральну структуру і обертається зі змінною кутовою швидкістю, більшою у центральних областях диска, меншою на його периферії.

Відстані в галактиках вимірюються в парсеках. Парсек (пс) близько см, або 3,2 світлового року = 206265 а.о.

Товщина Галактики поблизу Сонця 2000 пс. Діаметр її диска 30 000 пс. Сонце разом з його планетної системою знаходиться поблизу краю Галактики, приблизно в 10 000 пс від її центру.

Окрім зірок у Галактиці є й інші види матерії (пил, міжзоряний газ, космічні промені. Маса Галактики близько кг.

За даними супутника "Прогноз-9", наша Галактика мчить у напрямку сузір'їв Діви і Льва зі швидкістю понад 500 км / с.

Оскільки розміри зірок неймовірно малі в порівнянні з галактичними масштабами, то Галактику можна розглядати як дуже розріджений газ, в якому роль молекул грають зірки. Це газ настільки розріджене, що сутички між його "молекулами" не відбуваються. Природно, він не обмежений (?) Стінками якого-небудь посудини. Чому ж він не розлітається? Відповідь полягає в тому, що вся ця система тримається силами власного тяжіння.

Середня щільність матерії в Галактиці близько . Середня концентрація атомів дорівнює 3 атомам на 1 см ^3. Порівняймо: у нормальних умовах в 1 см ³ газу міститься 2,6 x10 ¹⁹ молекул.

Відома нам частина Всесвіту містить близько ¹⁰ листопаду галактик. Світ галактик у Всесвіті досить різноманітний. Таких галактик, як наша (спіральних), приблизно 80%. Зустрічаються неправильні галактики, які мають досить довільні геометричні обриси, і еліптичні, близькі за формою до еліпсоїда різної витягнутості.

Число зірок різному: карликові галактики мають приблизно зірок, гігантські - до зірок. Більшість галактик подібно до нашої має зірок.

Поодинокі галактики зустрічаються рідко. Переважна більшість їх утворює скупчення, що налічують сотні і тисячі членів. Скупчення не розсипаються на окремі галактики завдяки силам власного тяжіння. Як кажуть, вони є гравітаційно пов'язаними об'єктами.

Розміри скупчень галактик обчислюються мегапарсек (Мпс), тобто мільйонами парсеків.

Скупчення галактик, у свою чергу, утворюють сверхскопленія, які містять десятки членів. Може бути такий процес буде тривати без кінця? Виявляється, немає. Згідно з даними сучасних астрономічних спостережень, сверхскопленія є найбільш великими структурними утвореннями в Метагалактиці - спостерігається частини Всесвіту.

Галактики, їх скупчення і свехскопленія - це елементи комірчастої структури Всесвіту. Розміри осередків - сотні мегапарсек, товщина їх стінок близько 2-4 Мпс. Великі скупчення розташовуються у вузлах осередків. Надскупчення представляють собою елементи цієї структури чарунок.

У масштабах, що перевищують тисячі мегапарсек, Всесвіт безструктурна. Більш того, можна стверджувати, що в таких масштабах вона взагалі однорідна і изотропна, тобто її властивості скрізь однакові.

Чи завжди розподіл матерії у Всесвіті було і буде таким, як зараз? Відповідь негативний, тому що Всесвіт еволюціонує.

Варіаційні принципи

Будь-яка наука прагне звести до мінімуму число принципів або законів, що лежать в її основі. Значення варіаційних принципів полягає в тому, що кожен з них замінює декілька окремих законів. Наприклад, принцип Ферма еквівалентний відображення і заломлення світла, принцип найменшої дії - законам механіки.

Відкриття варіаційних принципів має багатовікову історію. Герон Олександрійський (I ст.) Сформулював наступний оптичний постулат: "Скажу, що з усіх променів, падаючих з даної точки і відбиваються в дану точку, мінімальні ті, які відображаються під рівними кутами". (Для сферичних дзеркал постулат Герона не завжди вірний).

У XYII столітті знаменитий французький математик П. Ферма сформулював принцип, який представляє узагальнення затвердження Герона: "світло завжди йде по шляху, який вимагає для свого проходження мінімального часу".

Варіаційні принципи механіки ведуть початок своєї історії з кінця XVII ст. (І. Бернуллі) і першої половини XVIII ст. - Французький вчений П. Мопертюї висунув варіаційний принцип механіки - принцип найменшої дії. Згідно з цим принципом, "шлях, якого світло дотримується, є шляхом, для якого кількість дії буде найменшим". Під дією Мопертюї розумів твір швидкості на довжину шляху.

Л. Ейлер, Ж. Лагранж і У. Гамільтон надали поняттю дії зміст, використовується і зараз. Твір швидкості на довжину шляху можна перетворити на витвір квадрата швидкості на час, замінивши шлях твором швидкості на час. Якщо ввести ще постійний множник, рівний масі тіла, поділеній на 2, то отримаємо твір кінетичної енергії на час, що і стало визначенням дії при відсутності сил. При наявності сил дія дорівнює середньому значенню різниці між кінетичною і потенційною енергією, помноженому на час руху. Був створений спеціальний математичний апарат для вирішення завдань, пов'язаних із застосуванням принципу Ферма, або принципу найменшої дії. Цей апарат одержав назву варіаційного обчислення, а відповідні принципи стали називатися варіаційними принципами.

Поняття дії придбало у фізиці особливого значення після введення в 1900 р. німецьким фізиком М. Планком, засновником квантової фізики, кванта дії, рівного фундаментальної постійної h.

Зіставлення принципів Ферма і Мопертюї наштовхнуло французького вченого Л. де Бройля в 1920-х рр.. на ідею про наявність у часток речовини хвильових властивостей, що незабаром було підтверджене на досвіді.

Е. Шредінгер провів глибокий аналіз варіаційних принципів оптики та механіки і ввів рівняння, що носить його ім'я.

Значення варіаційних принципів полягає в тому, що, знаючи дію і користуючись цими принципами, можна вивести рівняння руху для будь-якої системи.

Принцип додатковості

Розвиток ньютонівської теорії сприяло становленню детерміністськими погляду на природу. Згідно з цим світоглядом, можна визначити положення і швидкості усіх тіл в замкнутій системі в якийсь момент часу, і якщо відомі всі сили взаємодії між тілами, то можна повністю розрахувати поведінку системи в майбутньому. Іншими словами, майбутнє системи зумовлене.

На практиці провести такий розрахунок неможливо. Навіть якщо положення тільки одного тіла в системі визначено з найменшої неточністю, в результаті взаємодії цього тіла з іншими неточність буде рости поступово за величиною, так що після досить тривалого часу поведінка системи буде істотно відрізнятися від пророкує законами Ньютона.

Проте, крім цієї практичної труднощі, існує ще й інше, принципове обмеження, обумовлене квантової теорії і принципом невизначеності. При цьому фізикам доводиться мати справу з ймовірностями.

У 1927 р. В. Гейзенберг, аналізуючи можливість вимірювання координати та імпульсу електрона, прийшов до висновку, що умови, сприятливі для вимірювання положення, ускладнюють знаходження імпульсу, і навпаки-ці два поняття додатковими один одному.

Співвідношення Dp _x xDx> = h називають співвідношенням невизначеностей. Іншими словами, координата та швидкість частинки не можуть мати одночасно суворо визначених значень. Вказана обставина веде до того, що якщо в деякий момент часу відома координата електрона, то вже в наступний як завгодно близький момент часу його координата стає абсолютно невизначеною. Ми змушені говорити лише про ймовірність знаходження електрона в тій чи іншій точці простору. Поняття траєкторії електрона в цих умовах повністю втрачає сенс.

Співвідношення невизначеностей має вельми загальне значення і застосовується не тільки до електронам, але і до інших мікрооб'єктів.

Ще одним прикладом співвідношення невизначеностей є зв'язок між невизначеностями в енергії і часу.

Додатковими є кутове положення тіла, що обертається і його момент кількості руху.

Співвідношення невизначеностей - окремий випадок і конкретне вираження загального принципу додатковості, сформульованого Н. Бором у 1927 (28) року: якщо в будь-якому експерименті ми можемо спостерігати одну сторону фізичного явища, то одночасно ми позбавлені можливості спостерігати додаткову до першої бік явища.

Принцип додатковості Бор застосовував у багатьох областях. Так, наприклад, фізична картина явища та його математичний опис додатково. Створення фізичної картини вимагає зневаги деталями і веде від математичної точності, а спроба точного математичного опису утрудняє його ясне розуміння.

Квантова механіка не дає однозначної відповіді на деякі питання, а лише передбачає ймовірність того чи іншого результату.

Принципова невизначеність деяких величин є наслідок застосування класичних понять до опису некласичних об'єктів.

Принципи симетрії і закони збереження

Зазвичай під терміном "симетрія" розуміють або дзеркальну симетрію (ліве - праве), або центральну.

У фізиці під цим терміном розуміють незмінність не тільки предметів, але і фізичних явищ, і не тільки для відсічі, а й взагалі при будь-якої операції - при перенесенні установки з одного місця в інше або при зміні моменту відліку часу.

Найпростіша симетрія - однорідність і изотропность (еквівалентність всіх напрямів) простору. Вона означає, що будь-який фізичний прилад - годинник, телевізор, телефон - повинен працювати однаково в різних точках простору, якщо не змінюються оточуючі фізичні умови. Те ж саме відноситься і до повороту приладу, якщо відволіктися від сили тяжіння, яка виділяє на поверхні Землі вертикальний напрямок.

Фізичні закони повинні бути інваріантні (незмінні) відносно переміщень і поворотів.

Ще одна важлива симетрія - однорідність часу. Всі фізичні процеси протікають однаково, коли б вони не почалися.

Закони природи не змінюються і від заміни напрямку течії часу на зворотне (розбивати яйце! І молекули в малому обсязі газу).

Симетрія, пов'язана зі зміною напрямку течії часу, наближена: її порушення спостерігається в слабких розпадах деяких елементарних частинок - нейтральних К-мезонів.

Дзеркальна симетрія (вовчок, закручений направо, веде себе так само, як дзига, закручений наліво) явищ природи неточна, як і більшість інших симетрій. У слабких взаємодіях, відповідальних за радіоактивний розпад, вона порушується.

З певних принципів симетрії виводяться деякі із законів збереження.

Прямим наслідком симетрії щодо перенесення у просторі є закон збереження імпульсу (кількості руху).

Імпульсом, або кількістю руху тіла, називають твір його маси на вектор швидкості: p = mv. Для замкнутої системи величина повного імпульсу P зберігається. Закон збереження імпульсу пов'язаний з фундаментальним властивістю простору - однорідністю, тобто рівноправністю всіх точок простору.

Прямим наслідком симетрії щодо обертання є закон збереження моменту імпульсу.

Прямим наслідком симетрії щодо перенесення у часі є закон збереження енергії.

Закон збереження енергії був точно перевірено не лише для переходу механічної енергії в теплову, а й для переходу в хімічну і електромагнітну, а також для переходу електричної або хімічної в теплову.

Закон збереження енергії є суворим наслідком рівномірності ходу часу. Хід часу визначається відносною швидкістю протікання різних процесів у природі. Будь-яке вимірювання інтервалу часу означає порівняння ритмів різних процесів. Рівномірність ходу часу означає, що завжди відносна швидкість протікання всіх процесів у природі однакова. Рівномірність ходу часу встановлена на прикладі випромінювання атомів. Атоми на зірці випромінюють світло такої ж довжини хвилі, як і атоми сьогоднішнього дня, навіть якщо світло було випромінювання мільярд років тому.

Закон збереження речовини (маси) після того, як було встановлено зв'язок маси з енергією, перетворився на закон збереження енергії.

Найважливіше наслідок симетрії полягає в тому, що кожній симетрії, як внутрішньої, так і просторової, відповідає свій закон збереження.

Існує ще один закон збереження: повне число важких частинок (протонів і нейтронів) залишається незмінним у природі.

Література

Адлер С.Л. А. Д. Сахаров та індукована гравітація / Природа, 1990,8
Барабаш А.С. Подвійний b-розпад і його пошуки / Природа, 1995, 2
Бергстром Л., Рубінштейн Г. AMANDA на Південному полюсі: антарктичні нейтрино / Природа, 1996, 11
Бісноватий-Коган Г.С. Пульсари - нові відкриття і проблеми / Природа, 1995, 2
Бісноватий-Коган Г.С. Порядок і безладдя в астрофізиці. Природа,
1996, 6
Варшаловіч Д.А., Потєхін А.Ю. Спектроскопія квазарів і космологія / Природа, 1995, 4
Гордєєв В.О., Кутень С.А. Круглий чи атом водню? / Природа, 1990,3
Горелік Г.Є. Про збереження законів збереження / Природа, 1992, 7
Далькаров О.Д., Воронін О.Ю. Дослідження антиматерії - реальність і перспективи. Природа, 1994, 12
Комар О.А. Нейтрино з масою 17 кеВ? / Природа, 1991, 8
Комар О.А. Зірниці суперсиметрії / Природа, 1992, 5
Комар О.А. Проект AMANDA / Природа, 1996, 11
Кулакова Н.В. Уточнюється постійна Хаббла / Природа, 1995, 10
Мірабель І.Ф. "Великий аннігілятор" у центральній області галактики. Природа, 1993, 6
Морозов А.Ю. Теорія струн і фундаментальні взаємодії / Природа, 1990, 1
Печернікова Г.В. Проблема освіти далеких планет / Природа, 1992, 9
Рубченя В.А., Явшіц С.Г. Потрійне ділення важких ядер / Природа, 1991,5
Сахаров А.Д. Симетрія Всесвіту / Природа, 1990, 8
Смирнов А.Ю. Резонансні переходи нейтрино в речовині / Природа, 1991,6
Сонін А.С. Сумна доля великого відкриття (про Фрідману). Природа,
1993, 5
Доля космогонічних ідей О. Ю. Шмідта / Природа, 1991, 9
Циган А.І. Електричні поля нейтронних зірок. Природа, 1994, 8

Тема 1.4. Від фізики існуючого до фізики виникає

Сучасна фізична картина світу

Картина світу, яку почали створювати Галілей і Ньютон, а завершували Фарадей, Максвелл і Ейнштейн, відбивала філософські погляди, які брали початок ще від древніх: природа не робить стрибків. Ці уявлення грунтувалися на безперервності процесів.

Цю думку змінила квантова теорія, згідно якої речовина при випромінюванні випускає енергію кінцевими порціями - квантами. Енергія кванта дорівнює добутку постійної Планка на частоту випромінювання.

Луї де Бройль писав: "День, коли була введена постійна Планка, залишається однією з чудових дат в історії людської думки".

З постійної Планка увійшло в науку уявлення про дискретність енергії в мікросвіті; постійна Планка виявилася пов'язаною з поняттям про будову атома.

Яке будова атома? Відомо, що на основі експериментальних даних Резерфордом була створена планетарна модель атома. Це була остання наочна його модель. Запропонована Резерфордом модель була катастрофою для класичної фізики.

Згідно з уявленнями електродинаміки Максвелла, що рухається навколо ядра електрон повинен випромінювати енергію і тому дуже швидко впасти на ядро. Виходило, що з визнанням моделі атома Резерфорда слід переглянути класичну електродинаміку, яка вже стала основою електромагнітної картини світу. Резерфорд розумів, що "його" атом приречений.

Але в 1913 році Резерфорду прийшов пакет від молодого Нільса Бора з начерком його першої роботи з квантової теорії будови атома. У цій статті Бор писав :"... існування світу постійно доводить, що атом - стійка система. Значить, електрони, обертаючись навколо ядра, всупереч

Максвеллу-Лоренцу, не випромінюють безперервно. Так, якщо це не відбувається і вони, знесилені не падають на ядро, чи не простіше припустити, що в атомі є шляхи, на яких електрони не витрачають енергію: стаціонарні орбіти! Тільки залишаючи таку орбіту, електрон починає випромінювати ... "Фактично у тих словах виражено зміст знаменитих постулатів Бора, від яких і почалася квантова механіка - нова фізика.

Бор вважав, що електрон, як і мікрочастинка в класичній фізиці, рухається по певному шляху. Ці шляхи - стаціонарні орбіти - Бор визначав за допомогою головних квантових чисел. Атом може випромінювати енергію тільки тоді, коли електрон перескакує з однієї орбіти на іншу, причому ця енергія випромінюється у вигляді кванта.

Теорія будови атома, створена Резерфордом і Бором, дозволила пояснити багато фактів, але виникло так багато нових питань, на які, як здавалося фізикам, неможливо було відповісти. Ейнштейн писав: "Це було так, наче з-під ніг пішла земля і ніде не було видно твердого грунту, на якій можна було будувати ..."

Відповідь фізики знайшли, але для цього довелося відмовитися від колишніх уявлень про мікропроцесу. У механічної та електромагнітної картинах світу мікрочастинки представлялися незмінними, їх швидкість, координату, енергію можна було визначити абсолютно точно в будь-який заданий момент часу. У сучасній картині світу абсолютно інший погляд і на самі мікрочастинки, і на їх поведінку.

Французький фізик Луї де Бройль в 1924 р. запропонував розглядати дискретні стану електрона в атомі як хвильові явища. Це давало можливість пояснити, чому електрон при своєму русі навколо ядра не випромінює енергію (стояча хвиля не випромінює і не поглинає енергію). Незабаром була відкрита дифракція електронів, що підтвердило наявність у них хвильових властивостей.

Математичне обгрунтування хвильової моделі атома дав австрійський фізик Ервін Шредінгер. Рішення складеного ним для опису руху мікрочастинок рівняння дає значення величини, відомої у фізиці під назвою псі-функції або хвильової функції. Ця функція описує рух електрона. Цей рух не підкоряється законам механіки Ньютона: якби ми створили двом електронам абсолютно однакові початкові умови, то подальше їх рух міг би бути зовсім різним, чого закони механіки не допускають.

Поведінка елементарних частинок вірогідне. Обумовлено це тим, що елементарним частинкам притаманні властивості корпускули і хвилі. Для них неможливо з абсолютною точністю одночасно визначити координату і імпульс, зміна енергії і інтервал часу, протягом якого відбувається ця зміна. Співвідношення, які дають можливість побачити, як пов'язані між собою невизначеності при визначенні координати та імпульсу, енергії і часу життя мікрооб'єкт введені в 1927 р. В. Гейзенбергом.

Виявилося, що не тільки макроскопічні закони, що визначають масовий результат поведінки мікрочастинок, носять статистичний характер, а й закони, що визначають поведінку частинок в кожен момент часу і в кожній точці, є статистичними.

Боротьба ідей дискретності та неперервності матерії завершилася злиттям обох ідей в поданні про властивості елементарних частинок.

У механічної та електромагнітної картинах світу елементарним поняттям був рух себетождественной частинки. У МКМ такий часткою був атом, в ЕКМ на роль "абсолютних атомів" (неподільних і незмінних частинок, з яких складається все суще) претендували електрон і протон.

Але відкриття нейтрона в 1932 році призвело до висновку, що в ядрі атомів немає електронів і, значить, вони утворюються в результаті розпаду нейтрона. Позитрони, відкриті в космічних променях, дали можливість спостерігати такі дивовижні процеси, як перетворення електрон-позитронної пари в фотони або, навпаки, перетворення фотона великої енергії в електрон-позитронного пару.

Експерименти в області фізики високих енергій змінили уявлення про світ ... Починаючи з Демокріта, атомісти пояснювали нескінченна різноманітність речей з'єднанням і роз'єднанням їх частин, у цих процесах кінцевими і неподільними частками представлялися атоми. У їх вічності і збереженні їх числа вбачалися докази вічності світу.

А в чому ж ми бачимо опору для розуміння несотворімості і незнищенності світу? Чи можемо ми елементарні частинки вважати "кінцевими частками" матерії аналогічно тому, як атомісти представляли вічні і неподільні атоми?

Щоб відповісти на це питання, подумаємо, чим відрізняється поняття подільності в класичній і сучасній фізиці.

Уявімо собі уявний експеримент, в якому моделлю "кінцевої частки" матерії служить тарілка. Візьмемо дві тарілки і вдаримо одну про іншу. З точки зору класичної фізики можливі два випадки:

1) тарілки залишаться цілими, і тоді вони "неподільні", 2) тарілки розлетяться на шматочки, складемо їх - форма тарілок відновиться; маса шматочків дорівнює масі вихідної тарілки. Тарілка ділена.

Якби набір посуду мав властивості елементарних частинок, ми спостерігали б щось зовсім інше.

Уявімо собі, що ми вдаряємо одну тарілку об іншу. І нічого не відбувається. Вдаряємо їх з більшою силою, і ось результат: у нас в руках опиняються дві тарілки і одна чашка!

Чи можна їх вважати осколками двох тарілок? Звичайно, немає ... Ці утворилися "елементарні частинки" мають також статус елементарних частинок, як і вихідні. Цікаво, що маса утворилися часток не обов'язково дорівнює масі вихідних: вона може бути як більше їх маси, так і менше, залежно від умов, в яких відбувалося взаємодія.

Елементарні частинки - це більш-менш стабільні утворення матерії, які не діляться на осколки. Основна властивість ЕЧ - взаімопревращаемость. Ми не називаємо їх "кінцевими частками" матерії і не намагаємося знайти "кінцеві частки". Чим глибше ми просуваємося в напрямку збільшення концентрації енергії, тим далі від нас відсувається міраж кінцевих сутностей, "вихідних цеглинок світобудови".

У сучасній картині світу ЕЧ - це найпростіший елемент даного поля, або просто "квант даного поля". Поля сучасної фізики можна порівняти зі стихіями в картині світу древніх мислителів. Якщо вони вважали фундаментальними сутностями чотири стихії (землю, воду, повітря, вогонь), то сучасна фізика намагається розкрити весь зміст реального світу через прояв чотирьох видів взаємодій.

Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів в атомних ядрах. Електромагнітна взаємодія пов'язує електрони в атомах і атоми в молекулах.

Слабкій взаємодії піддаються всі елементарні частинки, крім фотона. Воно відповідальне за розпади деяких частинок і за процеси за участю нейтрино.

Гравітаційна взаємодія діє між усіма матеріальними об'єктами.

Звести всі різноманітні сили до єдиної основи, до чого прагнула людське знання впродовж усього розвитку науки, сучасної фізики поки не вдалося.

Креативна роль фізичного вакууму

Промовляючи слово "вакуум", ми зазвичай уявляємо собі надзвичайно розріджену середу, яку або досліджують у спеціальних лабораторіях, або спостерігають в космічному просторі. Однак вакуум це не порожнеча, а щось зовсім інше: особливе, неспостережний у повсякденному житті стан матерії, зване фізичним вакуумом.

Звичайних (реальних) часток у порожньому обсязі, звичайно, немає, але квантова теорія передбачає існування безлічі інших частинок, які називаються віртуальними. Такі частинки здатні за певних умов перетворюватися в реальні.

Час життя для частинок з масою me близько с. Ця величина дуже мала і каже вони не стільки про "життя", скільки про короткочасний сплеск життя вельми дивних частинок і пов'язаних з ними полів.

Отже, море неспостережуваних часток, готових за певних умов перетворитися в звичайний.

Стан фізичного вакууму можна охарактеризувати найменшим значенням енергії таких квантових полів, як скалярний поле, яке має існувати у вакуумі. Цьому полю ставиться у відповідність гіпотетична частинка Хіггс (на ім'я вченого Хіггса, її запропонував), яка є прикладом надважкого бозона, маса якого, можливо, в разів більше маси протона). Такі частки можуть народжуватися при температурі K. Існують проекти величезних прискорювачів, де, спостерігаючи взаємодія частинок, вчені сподіваються підтвердити реальність існування Хіггса.

Один з проектів американські інженери та фізики планують здійснити в кінці століття. Це буде дуже потужний прискорювач на зустрічних пучках, причому для зменшення споживаної енергії в кільцевий установці з довжиною кола 84 км будуть використані надпровідні магніти. Майбутній прискорювач названий надпровідним суперколайдера SSC.

Одне з дивних властивостей фізичного вакууму пов'язано з тим, що він створює негативний тиск і, отже, зможе виявитися джерелом сил відштовхування в природі. Це властивість грає виключно важливу роль в сценарії "роздувається Всесвіту".

Етапи еволюції гарячого Всесвіту, неоднозначність сценарію і антропний принцип

Космологія - розділ (?) Астрофізики, що вивчає будову і еволюцію Всесвіту в цілому. Сучасна космологія виникла на початку XX століття. Дані астрофізичних спостережень показують, що найбільшими структурними одиницями Всесвіту є великі скупчення і сверхскопленія галактик. Їх розміри сягають десятків мільйонів парсеків. У ще більших масштабах (сотні мегапарсек) речовина у Всесвіті розподілено однорідний.

Ейнштейн побудував на основі своєї теорії космологічну модель статичної Всесвіту. Вихідною гіпотезою було припущення про те, що Всесвіт однорідна і изотропна.

У 1922 р. А. А. Фрідман довів, що статичний світ Ейнштейна всього лише окремий випадок рішення рівнянь ЗТВ. У загальному ж випадку ці рівняння призводять не до статичних моделями, а до моделей, що залежать від часу. Однорідна і ізотропний Всесвіт повинен еволюціонувати, тобто безперервно змінюватися з часом.

В кінці 20-х рр.. Е. Хаббл встановив, що галактики віддаляються один від одного. Це означає, що Всесвіт розширюється.

Доля Метагалактики залежить від середньої густини речовини. Середня щільність визначена як тоді як критичне значення щільності одно . Однак цілком можливо, що в галактиках існує прихована маса речовини і дійсне значення середньої щільності вище критичної. Крім того, якщо маса спокою нейтрино не дорівнює нулю, як це доводять фізики на чолі з В. А. Любимовим, то у Всесвіті можуть існувати величезні нейтрино запаси: загальна маса нейтрино може в 30 разів перевищити масу звичайної речовини (на один протон припадає майже мільярд нейтрино, а їх загальна маса в 30 разів більша за масу одного протона).

Чи буде розширення Всесвіту необмежено тривати в майбутньому? Розширення гальмується силами тяжіння. Тяжіння визначається середньою щільністю речовини у Всесвіті. Критичне значення щільності, при якому розширення в майбутньому зміниться стисканням, так само . Середня щільність за даними спостережень нижче критичної разів у десять. Отже, Всесвіт повинен розширюватися весь час.

Однак у Всесвіті можливо є багато невидимої речовини і середня щільність може бути близька критичною.

Оскільки спостереження показують, що галактики віддаляються один від одного, виходить, у минулому вони були розташовані тісніше, а ще раніше не могло бути окремих галактик і взагалі окремих небесних тіл. Речовина була розподілено майже рівномірно, а щільність його була дуже великою. Всесвіт почала розширюватися млрд. років тому. При цьому центру розширення не було. Всі крапки у Всесвіті рівноправні. Що було до початку розширення Всесвіту, поки до кінця не з'ясовано, оскільки при дуже великих густинах матерії вступають в дію ще не відомі нам закони природи.

В даний час більшість дослідників вважають, що на початку розширення Всесвіту матерія була дуже щільною і дуже гарячою - Теорія гарячого Всесвіту. Відповідно до цієї теорії Всесвіт нагадувала гігантський прискорювач "елементарних" часток. Початком роботи цього прискорювача частинок був Великий Вибух, наслідком якого є спостережуваний в даний момент розліт галактик і їхніх скупчень.

На відміну від звичайного вибуху астрономічний вибух стався відразу у всьому існуючому тоді просторі.

Поки мало що відомо про те, що відбувалося в першу секунду після початку розширення і ще менше про те, що було до початку розширення. Загальна схема подальшої еволюції Всесвіту представляється наступним чином.

Ера адронів тривала приблизно від Атомів не було, але існували нуклони (протони і нейтрони), мюони, електрони і нейтрино різних типів (електронні, мюони, тау-нейтрино), а також античастинки і електромагнітне випромінювання (фотони), яке знаходилося в термодинамічній рівновазі з речовиною. Число частинок і античастинок речовини в одиниці об'єму було дорівнює числу знаходяться там же фотонів.

Головною подією адронний ери був процес анігіляції нуклонів і антінуклонов (адронів). Нуклонів було дещо більше, ніж антінуклонов, тому частина речовини залишилася в якості будівельного матеріалу для ядер майбутніх атомів.

Ера лептонів тривала приблизно від Температура зменшилася до K, а щільність стала рівною Лептони анігілювали: мюон-антімюон, електрон-позитрон з утворенням нейтрино. У результаті, якісно змінився склад плазми і придбали самостійність нейтрино, які з цього моменту перестали брати участь у взаємодіях. Після анігіляції важких частинок їх енергія перейшла до більш легким частинкам і витрачалася на нагрів випромінювання, а після анігіляції легких частинок звільнилася енергія стала витрачатися в основному на підвищення температури випромінювання. В кінці лептонний ери відбулося утворення ядер гелію шляхом злиття протонів і нейтронів, яких стало близько 25%, решта плазма (75%) складалася з ядер водню.

Ера радіації тривала від t = 10 с до приблизно 300 000 років. До кінця цієї ери щільність стала рівною а температура зменшилася до 3000K. Одне з найважливіших подій - відрив випромінювання від речовини: приєднання електронів до протонів стало переважати над відривом електронів від протонів. У результаті середа стала прозорою для випромінювання.

Ера речовини триває до цих пір. Після відриву випромінювання від речовини наш Всесвіт досить спокійно розширювалася, а головні події, що відбувалися в ній, були пов'язані з народженням галактик, зірок і планет.

Перед космологією стоять завдання дізнатися, чому почалося розширення Всесвіту, що було до цього, як утворилися галактики і багато іншого.

А чи був Великий Вибух? Академік Я. Б. Зельдович (1983): "Теорія" Великого Вибуху "на даний момент не має скільки-небудь помітних недоліків. Я б навіть сказав, що вона так само надійно встановлена і вірна, наскільки вірно те, що Земля обертається навколо Сонця ".

На чому заснована впевненість у справедливості теорії "гарячого Всесвіту"?

Перш за все відзначимо ті дані, які не суперечать цій теорії.

Вік Сонячної системи близько 4,6 млрд. років. Вік найстаріших зірок близький віком нашої та інших галактик - 10-15 млрд. років. У минулому далекі позагалактичні радіоджерел випромінювали більше, ніж зараз. Поширеність хімічних елементів близька до співвідношення, яке виникло в часи первинного термоядерного синтезу.

Але головним підтвердженням теорії "гарячого Всесвіту" вважається відкриття реліктового випромінювання. Після "відриву" випромінювання від речовини і подальшого розширення Всесвіту температура випромінювання падала, але його характер (спектр) зберігся до наших днів, нагадуючи про далекій молодості Метагалактики. Ось тому астрофізик І. С. Шкловський запропонував назвати це випромінювання реліктовим. А. Пензіас і Р. Вільсон отримали в 1978 році Нобелівську премію за відкриття цього випромінювання (1965).

Не всі вчені згодні з ідеєю Великого Вибуху. До їх числа належать такі відомі астрофізики, як Х. Альвен (Швеція), Д. Нарлікар (Індія) та ін

Дж.Б.Меріон (1975): Основна складність полягає в тому, що в лабораторії не можна провести контрольований космологічний експеримент - ми повинні покладатися на спостереження над об'єктами, які лежать на фантастичних відстанях від нас і на які ми ніяк не можемо впливати. Ми не знаємо скільки-небудь точно масу або розміри Всесвіту. Ми не знаємо, чи буде спостережуване розширення Всесвіту триватиме нескінченно. Ми не знаємо, чи існує у Всесвіті в будь-яких значних кількостях антиречовину, чи існують антігалактікі. Ми не знаємо природи квазарів, випромінюючих гігантську енергію. Ми знаємо не надто багато про деталі еволюції зірок після стадії червоного гіганта. Ми не можемо зрозуміти, чому в космосі існують молекули. Ми не маємо надійної теорії космічних променів надвисоких енергій. І, зрозуміло, ми нічого не знаємо про походження Всесвіту, хоча наявні дані вказують на те, що її розширення - це результат того, що сталося близько 10 млрд. років тому жахливого вибуху, міць якого навіть неможливо собі уявити. Але звідки взялося це гігантська кількість початкової енергії?

З часів Коперника люди стали розуміти, що наша планета і її мешканці не займають будь-якого привілейованого становища в Сонячній системі, Галактиці і Метагалактиці. Однак ми живемо в найбільш зручною для цього області Сонячної системи і Галактики, а фундаментальні властивості Всесвіту дивно "підстроєні" під той жорсткий набір вимог, без якого не могли б виникнути ні галактики, ні ні зірки, ні планети, ні життя і розум у Всесвіті .

Ми живемо в еволюціонує Всесвіту. Поява життя і розуму у нашого Всесвіту стало можливим на певному етапі її еволюції. Якби еволюція космічний матерії відбувалася дещо інакше, то не було б ні спостерігається структури Всесвіту, ні нас як спостерігачів.

По суті, у сучасній космології з'явився новий погляд на Всесвіт, новий принцип. Відповідно до відомого раніше космологічному принципом, Всесвіт виглядає майже однаково з будь-якої точки простору (ідеальний принцип вимагає, щоб Всесвіт виглядала зовсім однаково і в будь-який момент часу). Тепер же до цього принципу додається новий - його називають антропним принципом. Сформулювати його можна різним способом, наприклад: це принцип відбору тільки тих початкових умов (з усіх наявних на ранній стадії Всесвіту), які сумісні з існуванням розумного життя.

Антропний принцип не є новий фундаментальний фізичний закон. Принцип взагалі не еквівалентний законом, а являє собою один з рівнів філософського підстави науки.

Походження галактик та Сонячної системи

Походження галактик і зірок (космогонія) пов'язане з виникненням неоднорідностей в однорідному середовищі. Великомасштабні неоднорідності з масою в сонячних утворили протоскопленія галактик, і вони представляли собою масивні хмари газу. Такі хмари набували не сферичну форму, а ставали схожими на гігантські "млинці".

У різних частинах розширюється Метагалактики могли виникати різні "млинці" по масі, щільності та температурі. Результатом їх еволюції було виникнення або скупчень галактик, або одиночних галактик. Фахівці сподіваються виявити "млинці", що ще не встигли перетворитися в галактики. Взаємодіючи між собою, "млинці" можуть утворювати кордону спостережуваних осередків великомасштабної структури Всесвіту.

Якщо нейтрино мають ненульовий масою, то вже на початкових стадіях розширення Метагалактики вирішальне значення для подальшої еволюції відігравало поява нейтринних неоднорідностей, які грали роль "тесту" для освіти "млинців". Далі передбачається, що нейтрино "млинці" утворили пористу структуру, яка була невидимою, оскільки невидимі самі нейтрино хмари. Коли звичайна речовина початок збиратися в центральних областях нейтринних хмар, стала проявлятися невидима чарункова структура Всесвіту.

Кожна галактика, що виникла з розпалися "млинців", мала свій життєвий шлях - у ній виникали кульові зоряні скупчення і зірки різних поколінь. Наприклад, у нашій Галактиці спіральної масивні зірки першого покоління давно завершили свій життєвий шлях і, вибухнувши, збагатили міжзоряне середовище важкими елементами. Частина з них увійшла до складу зірочок нового покоління.

Зірки наступних поколінь формуються в молекулярних хмарах, багатих молекулами водню та інших речовин, міжзоряного пилом. Частинки пилу в молекулярних хмарах сприяють утворенню молекул від і CO до багатоатомних молекул ацетону , Ціанодекапентіна та ін Молекулярні хмари розташовуються поблизу галактичної площини, їх чимало і в областях, прилеглих до ядра Галактики. Зіткнення хмар, їх ущільнення вибуховими хвилями, що виникають при спалахах наднових, створюють умови для активного зародження протозвезд.

Зірки малих мас еволюціонують повільно і багато хто з них дожили до наших днів.

Згідно з даними деяких астрономів, зореутворення в Галактиці відбувається з певними перервами.

За сучасними уявленнями, зірки утворюються в результаті стиснення (під дією тяжіння) хмар холодного газу. Самі ці хмари є частини більш великих і масивних комплексів, на які розпалося протогалактіческое хмара. Стадія майбутньої зірки, або протозірки, триває у зірок з масами, близькими до сонячної, кілька мільйонів років. Створювані зірки оточені газо-пиловими оболонками, які не пропускають оптичне випромінювання від розігрівшись у ході стиснення центральних областей протозірки.

"Включення" термоядерного реактора означає, що стадія протозірки закінчилася і почалася стадія справжньої зірки.

Молодим зіркам, маси яких близькі до маси Сонця, має бути довга життя: тільки на головній послідовності вони перебувають не менше 10 млрд. років.

Зміна режиму роботи термоядерного палива (водень вигорає в ядрі, починається горіння в шарах, прилеглих до гелієвої ядра і т.д.) перетворює зірку. Вона розбухає, проходить стадію червоного гіганта, втрачає свою оболонку, ядро оголюється, і зірка поступово перетворюється на білий карлик, а в майбутньому стане остившім чорним карликом.

Більш масивні зірки вибухають, розсипаючись в міжзоряному просторі, або залишають після себе нейтронні зірки або навіть чорні діри.

Земля: походження і динаміка геосфер

Розробка космогонічних гіпотез є результатом зусиль багатьох вчених (Декарт, 1644; Кант, 1775; Лаплас, 1796; в XX столітті-О.Шмідт, Х. Альвен, Ф. Хойл, А. Камерон, Е. Шацман та ін.)

Зараз вважається загальновизнаним, що планети виникли в результаті об'єднання твердих тіл і частинок, що утворилися в обертовому навколо Сонця гігантському протопланетному хмарі, що складається і газу та пилу. Поки не існує однозначної відповіді на питання: звідки взялося протопланетной хмара? Однак у деяких зірок, наприклад Веги, виявлені газово-пилові диски.

Протопланетні хмара містило газ "зоряного" складу (водень і гелій) і пил з більш важких елементів. Стискуваної хмара збільшувало швидкість обертання. Пиловий шар, будучи гравітаційно нестійким, розпався на безліч згустків, що перетворилися на рій твердих тіл. Спочатку розміри цих тіл були порівняно невеликі, а їх орбіти юилі близькі до кругових. У міру зростання мас збільшувалася взаємне тяжіння тіл, зростали їх відносні швидкості, орбіти ставали еліптичними.

Гравітаційна взаємодія було визначальним чинником у формуванні майбутніх планет. Зменшення числа зародків і поява сверхзародишей відбувалося до тих пір, поки виникають великі і масивні тіла не опинилися на таких відстанях, де взаємне тяжіння не могло вже суттєво змінити їх орбіти. Ці безпечні відстані і стали запорукою стійкості майбутньої Сонячної системи.

Планети земної групи сформувалися порівняно швидко (Земля за 100 млн. років), планети-гіганти росли довше.

На початку 50-х рр.. наука відмовилася від подання про первинну вогненно-рідкої планеті. Було розвинуто уявлення про спочатку холодної Землі. Але тепер вчені говорять якщо не про вогненно-рідкою, то про помірно гарячої планеті. Великі за масою і розмірами тіла, падаючи на відносно холодну Землю і глибоко врізаючись у неї, розігрівали нашу планету. Такий розігрів виявився сильнішим, ніж це могло відбутися за рахунок енергії інших механічних (гравітаційне стиснення) і немеханічних (радіоактивний розпад) процесів. Земля частково плавилася, змінювала свою структуру, формувала ядро і оболонки.

В даний час, як відомо, Земля має розплавлене ядро, що складається в основному із заліза і нікелю. Речовини, що містять більш легкі елементи (кремній, магній тощо), поступово спливали, утворюючи мантію і кору Землі. Найлегші елементи увійшли до складу океану та первинної атмосфери.

Найлегші і найлегше випаровуються елементи - водень, вуглець, азот і кисень - є складовими частинами сучасної атмосфери і самого життя. Зовнішні шари Землі містили ці елементи не у вільному, а у зв'язаному вигляді в складі інших молекул. Під впливом розігрівання при зіткненнях речовина втрачало леткі елементи, з яких утворилася первинна атмосфера. Деякі молекули руйнувалися в процесі фотодиссоціації під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця. У результаті атмосфера включала і невелика кількість водню. Таким чином, атмосфера була слабо відновної.

Склад атмосфери змінювався в результаті випаровування атомів і молекул водню і виділення газів із земної кори, розігрітій за рахунок розпаду радіоактивних ізотопів. Виділення летючих елементів, яке в значно ослабленою формі відбувається і тепер з вулканів, внесло в атмосферу велику кількість водяної пари, вуглекислого газу, азоту та окису вуглецю. Таким чином, практично вся вода сучасних океанів виділилася з порід, що складають нині кору і верхню мантію Землі.

Під впливом ультрафіолетового випромінювання молекули води, що входять до складу атмосфери, розпадаються на атоми водню і кисню. Однак, поки молекули водню залишалися у складі атмосфери, вільні атоми кисню швидко вступали в реакцію з ними. Як тільки водень випарувався, в атмосфері утворився вільний кисень, а потім і озон, який утворив озоновий екран, преградивший шлях жорсткого ультрафіолетового випромінювання до поверхні Землі.

Подальші зміни атмосфери, гідросфери та верхніх шарів літосфери відбувалися під істотним впливом виникла на Землі життя. Що ж відбулося за останні 4 млрд. років?

Роль живих організмів в еволюції Землі

Жива речовина біосфери - це активний початок, що перетворює інші сфери Землі. Ця роль життя була вперше обгрунтована В. І. Вернадським.

Сучасна атмосфера Землі є продукт діяльності живих організмів. Як писав Вернадський, "атмосфера цілком створена життям".

Первинна атмосфера нашої планети мала відновлювальний характер, була позбавлена вільного кисню і складалася з наступних газів: На першому місці за кількістю стояли вода і вуглекислий газ. Розвиток фотосинтезу призводило до звільнення великих кількостей вільного кисню в гідросфері і потім в атмосфері. Аміак і метан практично повністю зникають зі складу атмосфери в результаті окислення. Сучасна атмосфера є азотно-кисневої і складається в основному з

Вуглекислий газ, який колись займав друге місце за вмістом у атмосфері, виявився хімічно зв'язаним в породах, головним чином у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняк). Майже весь вуглекислий газ зник з атмосфери. Невеликі його кількості залишаються завдяки процесам вивітрювання та дихання тварин; розкладання органічної речовини також повертає цей газ в атмосферу.

Кисень до розвитку життя існував в малих кількостях. Фотосинтез синьозелених водоростей, а потім і зелених рослин збільшив його зміст в сучасній атмосфері до 21%.

Азот, з якого на 78% складається сучасна атмосфера, вступив до неї при дегазації, але його збереженню допомогло існування життя. При кожному грозовий розряді в атмосфері частина атмосферного азоту з'єднується з киснем і утворює оксиди азоту, які завдяки опадам потрапляють у грунт і океани. У грунті живуть денітрифікуючі бактерії, які розкладають окисли азоту і повертають їх у атмосферу.

Окис вуглецю, яка була важливим компонентом земної атмосфери, давно з'єдналася з киснем і перетворилася на вуглекислий газ, який, як зазначено вище, сконцентрувався в вуглецевмісних породах.

Водяна пара, зміст якого був високим, все ще складає частину оболонки Землі - океани, що покривають 71% поверхні Землі. Океани відрізняють Землю від всіх інших планет.

Хімізм вод Світового океану в значній мірі визначається і регулюється живою речовиною. Води Світового океану, як і атмосфера Землі, утворилися за рахунок дегазації мантії, тобто Світовий океан утворився з парів мантійного матеріалу і спочатку води були кислі і мінералізовані. Прісні води з'явилися пізніше в результаті випаровування з поверхні первинних океанів (процес природної дистиляції).

Сильні кислоти в складі ювенільних вод інтенсивно руйнували первинні алюмосилікатні породи, витягуючи з них лужні і лужноземельні метали: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, а також солі двовалентного заліза. Первинна поверхню суші омивалася кислими дощами, під впливом яких відбувалися гідроліз і гідратація перший мінералів. При круговороті води і винесенні катіонів Na, K, Mg, Ca значна їх частина затримувалася в океані і зараз є головними катіонами океанічної води. До головних аніонів її відносяться До рідкісних елементів відносяться азот, фосфор, кремній, концентрація яких контролюється ростом і розмноженням живих організмів океану. У морській воді розчинені природні гази, тісно пов'язані з атмосферою і живою речовиною моря: азот, кисень, вуглекислота, сірководень.

Земна кора як верхній шар твердої тіла Землі спочатку виникла в результаті виплавлення матеріалу мантії і надалі виявилася істотно переробленої в біосфері під впливом атмосфери, води і діяльності живих організмів.

Ландшафт перший сухопутних ділянок був типовий вулканічний, подібний до сучасного місячним ландшафту.

Літосфера Землі сформувалася в більшій своїй частині за рахунок діяльності живої речовини. Це відноситься до осадових порід. Вапняки, крейда, мармур майже цілком складаються із залишків скелетів організмів.

Грунтовий покрив сформувався і розвивався за активної участі живої речовини.

На самому початку палеозойської ери жива речовина переходить на сушу, формуються наземна флора і фауна. Відбувається зростання біомаси, ускладнюється її якісний склад. Нові види організмів для побудови внутрішнього і зовнішнього скелета використовують та ін У результаті різко збільшується вплив живої речовини на геохімію океану, атмосфери і осадової оболонки Землі.

Склад атмосфери наближається до сучасного. Морська вода з хлоридно-карбонатно-сульфатною поступово перетворюється в хлоридно-сульфатну.

Література

1. Хокінг С. Чи є кінець теоретичної фізики? Природа, 1982, 5

Розділ 2. ЖИТТЯ

Від атомів до протожізні. Неорганічні й органічні сполуки та їх різноманіття

Молекули перебувають у безперервному русі і стикаються один з одним. Зазвичай при цьому вони просто відскакують у різні боки, так як їх електронні оболонки відштовхуються. Але сильне зіткнення може викликати перегрупування електронів в зіткнулися молекулах і виникнення нового з'єднання. Це явище називають хімічною реакцією. Хімія вивчає процеси перетворення молекул при їх взаємодію і при впливах на них зовнішніх факторів - теплоти, світла, електричного струму.

Кількість хімічних реакцій і кількість молекул не піддаються обчисленню. Хімія безупинно створює нові комбінації атомів, нові речовини.

Багато елементів утворюють сполуки з воднем - гідриди (CH _4, NH _3, HF, SiH _4, H ₂ S, HCl), а також сполуки з киснем - оксиди (CO, CO _2, SO, SO _2, SiO _2, NO, N ₂ O _3, NO _2, N ₂ O _5).

Вода - сполука водню з киснем - H ₂ O. Це одне з найпоширеніших речовин на Землі. Вона володіє абсолютно дивовижними властивостями, які настільки важливі для живих організмів, що не можна собі уявити життя, в тому вигляді як ми її знаємо, на якій би то не було планеті, якщо тільки на цій планеті немає достатнього запасу води.

Унікальні властивості води визначаються структурою її молекул. У молекулі води один атом кисню ковалентно зв'язаний з двома водневими атомами. Молекула вигнута кутом, у вершині кута знаходиться атом кисню. Молекула полярна: її кисневий атом несе частковий негативний заряд, а кожен з двох атомів водню - частковий позитивний заряд.

Частково негативний атом кисню однієї молекули води притягається частково позитивними атомами водню інших молекул; тому молекули води пов'язані один з одним водневими зв'язками. У рідкому стані ці слабкі зв'язки швидко утворюються і настільки ж швидко руйнуються при безладних соударениях молекул.

Властивості води, що мають важливе значення для життя:

1. Вода здатна злипатися сама з собою (когезія) і з іншими речовинами (адгезія). Звідси поверхневий натяг і капілярність.

2. Вода є добрим розчинником. У воді розчиняється більше речовин, ніж у будь-який інший рідини. Завдяки своїй полярної природі вода має здатність розчиняти іонні речовини та інші полярні сполуки. Неполярні сполуки у воді не розчиняються, утворюючи з водою поверхні розділу. Поверхні розділу в живих організмах грають дуже важливу роль, так як саме тут протікають багато хімічні реакції.

3. Вода має високу теплопровідність. У живому організму безперервно відбуваються реакції, що супроводжуються виділенням тепла. Завдяки високій теплопровідності води це тепло рівномірно розподіляється по всій воді, що міститься в організмі, тим самим усувається ризик виникнення локальних гарячих точок, які могли б послужити причиною пошкодження тонких біологічних структур.

4. Вода має високу температуру кипіння. На щастя для живих організмів, температури на поверхні Землі рідко досягають точки кипіння.

5. Вода, випаровуючись, сприяє охолодженню тіла, оскільки на випаровування води витрачається багато тепла. Багато живі істоти використовують цю властивість води (потовиділення, теплова задишка).

6. Вода має високу температуру замерзання, а її щільність максимальна при +4 ^° С. Температура замерзання води, мабуть, трохи вище, ніж було б ідеально для життя, оскільки живі організми в багатьох областях змушені існувати при температурах нижче точки замерзання води. Незвичайне властивість води: макисмальном щільність при температурі, яка вище точки замерзання. При охолодженні від +4 ^° С до 0 ^° С вода розширюється, оскільки відстані між молекулами води в кристалі льоду більше, ніж у рідкому стані. Це означає, що кристал льоду більше обсягу тієї води, з якої він утворився.

Якщо кристали льоду утворюються в живому організмі, то вони можуть зруйнувати його тонкі структури і викликати загибель. У озимої пшениці, у ряду комах, у жаб і інших є природні антифризи, що запобігають утворенню льоду у їхніх клітинах. Тканини деяких організмів не пошкоджуються кристалами льоду. У птахів і ссавців температура завжди підтримується на високому рівні.

Завдяки низькій щільності лід завжди плаває на поверхні рідкої води. Це запобігає замерзання всієї товщі води і робить можливим життя під льодом. Особливі термічні властивості води також забезпечують перемішування води в озерах.

Одне з найбільш важливих властивостей води - її здатність розчиняти багато речовин з утворенням водних розчинів. Розчини - дуже важливе стан речовини.

Вода океанів представляє собою водний розчин, що містить сотні компонентів. Повітря - газовий розчин азоту, кисню, двоокису вуглецю, водяної пари і аргоноідов. Сплав, з якого виготовляють срібні монети, являє собою твердий, або кристалічний, розчин срібла і міді.

Якщо один з компонентів розчину знаходиться в більшій кількості, ніж інші, то його можна назвати розчинником. Інші компоненти називають розчиненими речовинами.

Кислоти, основи, солі

Кислота - водородсодержащие речовиною дисоціюють у воді з утворенням іонів водню. Підстава - речовину, що містить іон гідра-сила або гідроксільнув групу (ОН), яка при дисоціації даної речовини у водному розчині утворює іон гідроксилу. Згідно з іншим визначення, кислота - донор протонів, а підстава - акцептор протонів. Кислота і підстава, що містить гідроксил, доїть воду і сіль:

NaOH + HCl  NaCl + H ₂ O

Сіль - це з'єднання, що утворюється в результаті повного або часткового заміщення атомів водню кислоти металом. При розчиненні солі у воді складові її іони дисоціюють, тобто перетворюються у вільні іони.

Окислювально-відновні реакції

Всі біологічні процеси пов'язані зі споживанням енергії. Джерелом енергії є різні реакції. Більшу частину необхідної енергії клітина отримує за рахунок окислення поживних речовин у процесі дихання.

Окислення можна описати як втрату електрона, а відновлення - як отримання електрона. У звичайних окислювально-відновних реакціях ці два процеси відбуваються одночасно.

Окислювальна або відновна здатність визначається числом електронів, що беруть участь в окисленні або відновленні.

Окислення може відбуватися шляхом приєднання кисню до речовини (власне окислення), і шляхом відібрання водню (дегидрирование). Другий варіант є найпоширенішою формою біологічного окислення.

Відновлення відбувається в результаті відщеплення молекулярного кисню, приєднання атома водню або приєднання електрона.

Хімія життя

Вода з розчиненими у ній різними простими солями - необхідна середовище для хімічних процесів, з яких складається життя. Життя включає всілякі перетворення безлічі різноманітних великих молекул, головним елементом у яких є вуглець.

Волькенштейн (1972): "Вуглець - найважливіший елемент на Землі. Я кажу про важливість вуглецю для нас, для людства. Наше життя - вуглецева. Всі біологічно функціональні речовини, за винятком води і деяких солей, містять вуглець. Такі білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи, гормони, вітаміни, порфірини ".

Вуглець має чотири електрона на незаповненою оболонці, але він не може утворювати іони, віддавши або взявши чотири електрони. Однак вуглець такий майстер утворювати ковалентні зв'язки, що зараз відомо більше мільйона речовин, побудованих на його основі. Особливо цікава унікальна здатність атомів вуглецю вступати в ковалентний зв'язок один з одним, утворюючи молекули у вигляді довгих ланцюгів, прямих або розгалужених, кілець і інших більш складних структур. Ці вуглецеві ланцюги і кільця становлять "скелети" органічних молекул. Такі молекули можуть об'єднувати саме різне число атомів вуглецю - від декількох штук до сотень тисяч і навіть мільйонів.

Найпростішими вуглецевими сполуками є вуглеводні, і найпростішим серед них - метан CH _4. Метан входив до складу первинної атмосфери Землі. Життя зародилося в цій атмосфері, і, можливо, метан був найдавнішим родоначальником незліченних вуглецевмісних сполук, що виникали в міру розвитку життя. У сучасних живих організмах виявлено лише кілька вуглеводнів (каучук, каротин).

Вуглеводні являють собою сполуки, що містять тільки атоми вуглецю і водню - ряд метану: метан - CH _4, етан - C ₂ H _6, пропан - C ₃ H _8, бутан - C ₄ H ₁₀ і т.д. (Вони називаються також алканами).

Природний газ, одержуваний з нафтових і газових свердловин, звичайно містить близько 85% метану. Газ, що піднімається з дна боліт, складається з метану з невеликою кількістю двоокису вуглецю і азоту.

До складу деяких молекул вуглеводнів входять кільця атомів вуглецю.

Найпростішим циклічним вуглеводнем є циклопропан C ₃ H _6, який може бути хорошим анестезуючою засобом, але небезпечний: в суміші з повітрям він запалюється від електричної іскри.

Циклогексан C ₆ H ₁₂ - безбарвна рідина, що отримується при перегонці нафти, використовується в якості розчинника.

Спирти утворюються з вуглеводню при заміщенні одного атома водню на гідроксильну групу - OH:

з метану CH ₄ - метиловий спирт CH ₃ OH, з етану C ₂ H ₆ - етиловий спирт C ₂ H ₅ OH. З двох молекул спирту виходить ефір: діетиловий ефір C ₂ H ₅ OC ₂ H ₅

Органічні кислоти мають групу COOH і утворюються при окислюванні спиртів: C ₂ H ₅ OH + O ₂  CH ₃ COOH (оцтова кислота) + H ₂ O.

Жирні кислоти представлені довгою послідовністю вуглеводневих груп: пальмітинова (насичена): CH ₃ - (CH _{2) 14} - COOH; олеїнова (ненасичена): CH ₃ - (CH _{2) 7} - CH = CH - (CH _{2) 6} - COOH.

До гетероциклическим відносяться сполуки, в яких один, або кілька атомів, що входять до циклу, не є атомами вуглецю. Наприклад у піримідину і пурину до складу кільця входять атоми азоту.

Піримідин входить до складу транквілізаторів (седуксен, еленеум), алкалоїдів (кокаїн, нікотин), пурин - до складу молекули кофеїну (кава). Похідні цих сполук входять до складу нуклеотидів ДНК.

Ізомерія. Молекули різних речовин можуть мати один і той же атомний склад, але при цьому сильно різняться властивості. Прикладом можуть служити етиловий спирт і диметиловий ефір - обидва C ₂ H ₆ O.

Зрозуміти ізомерію можна, зіставивши їх структурні формули:

Етиловий спирт відомий у незапам'ятних часів, оспіваний Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистому вигляді, а як найважливіша частина благородного напою - вина. Диметиловий ефір - такого інтересу для людства не представляє. Це газоподібна речовина, з яким мають справу лише хіміки. (Не плутати з діетіловим ефіром, застосовуваним для наркозу).

У міру збільшення числа атомів вуглецю в вуглеводні кількість ізомерів різко зростає. У нонана C ₉ H ₂₀ - 35 ізомерів, у тріаконтана C ₃₀ H ₆₂ - 4111846763 ізомеру. Не те щоб отримати всі ці ізомери, але навіть зобразити все неможливо.

Ротамерія. Виникає в результаті поворотів груп атомів навколо центральної зв'язку-C-C-. На відміну від ізомерів ротамери швидко перетворюються одна в одну, так як повороти навколо одиничної зв'язку відбуваються весь час. Розрахунок показує, що частота таких поворотів - ¹⁰ 10 разів на секунду. Значить виділити ротамери не можна, але спостерігати їх можна.

Ротамерія істотно позначається на хімічних властивостях речовини. Різні ротамери відповідають різним конформація молекули. Так циклогексан C ₆ H ₁₂ може мати конформації, схожі на крісло і на ванну. Фізичні дослідження показали, що циклогексан має форму крісла.

Конформаційна хімія - нова галузь цієї великої науки. Особливо важливі конформаційні властивості молекул в хімії та фізики полімерів і в біології.

Прикладом може служити поліетилен-CH _{2-CH 2-CH 2} -...

Молекула полімеру приймає конформацію, в якій енергія всіх слабких взаємодій мінімальна. Ланцюжок мимовільно переходить в стан клубка, стан найменшою впорядкованості, якому відповідає найбільша ентропія. На ступінь згортання впливають валентні кути, наявність ротамеров, що збільшує обсяг або довжину клубка. Ротамери взаємозалежні або, іншими словами, стану полімерних ланок залежать один від одного.

Якщо випадковий поштовх змусив дане ланка повернутися, то це потягне за собою зміну стану сусіднього ланки і т.д. Таким чином, ймовірність того чи іншого стану ланки залежить від стану попереднього ланки, і мова йде про взаємозалежних події.

Теорію ймовірностей взаємозалежних подій створив великий математик А. А. Марков (1856-1922). Залежні ймовірності утворюють свого роду ланцюга, які так і називаються - ланцюга Маркова. Полімерна ланцюг - це ланцюг Маркова. Математичний метод, створений Марковим, дозволив провести строгі розрахунки розмірів та інших фізичних властивостей макромолекул.

Молекулярні системи, елементарні одиниці яких взаємодіють один з одним і тому ведуть себе узгоджено, називаються кооперативними системами. Явища, які виражають це взаємодія, цю узгодженість, іменуються кооперативними.

Полімерна ланцюг, макромолекула - кооперативна ротамерная система. [Розтягування гуми - кооперативний процес ротамерізаціі, конформаційної перебудови].

Приклад з Волькенштейна (1972). Я їду в переповненому автобусі. Потрібно виходити. Але пасажири упаковані щільно. Вийти вдається тільки в результаті узгодженого, кооперативного переміщення пасажирів, які обмінюються місцями. У міру наближення автобуса до кінцевої станції він поступово порожніє. Кооперативность зменшується, в кінці кінців можна вийти з автобуса, нікого не зачіпаючи, не питаючи "Ви сходіть?" І не просячи посунутися.

Ще приклад. Процес перетворення газу в рідину (або зворотний процес) - кооперативне явище, яке визначається взаємодією молекул, узгодженістю в їх поведінці, викликаної силами міжмолекулярної взаємодії.

Так як молекулам полімерів, макромолекулам особливо важко рухатися і повертатися, вони легко склу. Тверді пластмаси, і прозорі і непрозорі - це полімери всклоподібного стані.

Особливості біологічної форми організації матерії. Молекули живих систем

З усіх полімерних речовин, що існують у природі та створених людиною, найважливіші - білки і нуклеїнові кислоти, біологічні полімери, макромолекули.

Білки виконують всі життєво важливі функції в організмі. Вони є каталізаторами, керуючими всій хімією живого організму, усіма біохімічними процесами. Вони переносять кисень і запасають його, забезпечуючи подих. Вони служать основою рухів усередині організму і рухи організму як цілого. Вони захищають організм від хвороб. Вони є головними опорними речовинами тканин.

Коротше кажучи, білки вміють усі. Одного вони, правда, не вміють - самі себе синтезувати. Для синтезу білків потрібні інші полімери - нуклеїнові кислоти.

Функціональність біополімерів безпосередньо пов'язана з їх конформаційними властивостями. Синтетичні полімери за рідкісним винятком утворюють статистичні клубки в розчині. Біополімери утворюють глобули. Глобула радикально відрізняється від клубка - кулька НЕ пухке, а компактне утворення, схоже твердого тіла. Білкова кулька, побудована з ланцюга двадцяти різних амінокислот, є за висловом Шредінгера апериодическим кристалом.

Чудовій фізичній особливістю амінокислот є їх хіральність (за винятком гліцину). Нижче наведено дві форми аланіну, l - ліва і d - права.

Ці дві конфігурації не можна поєднати ніяким поворотом, як праву і ліву руки.

Дуже важливо і цікаво те, що всі білки побудовані тільки з лівих амінокислот. Праві і ліві молекули відрізняються знаком обертання площини поляризації світла, хіральні молекули оптично активні. Відповідно оптично активні всі білки, і це дає можливість їх вивчення.

При природному світлі площину електричних коливань весь час змінюється. У поляризованого світла площину коливань фіксована. Для отримання такого світла його пропускають через поляроїдних плівку. Якщо пропустити плоскополяризоване світло через речовина, що складається з асиметричних молекул, то площина поляризації повернеться. Праві і ліві молекули повертають площину поляризації в різні боки. Здатність обертати площину поляризації і називається оптичною активністю.

Рацемічна суміш, що складається з рівних чисел правих і лівих молекул, не обертає площині поляризації.

З Волькенштейна:

Маленька Аліса розмовляє зі своєю кішкою: "Як би тобі сподобалося жити в задзеркальне будинку, Кісанька? Не знаю, чи давали б тобі там молоко? А може бути, дзеркальне молоко не годиться для пиття? "Аліса вгадала, дзеркальне молоко дійсно абсолютно не поживно. Чому ж права маленька Аліса?

Білки, які надходять в організм з їжею, розщеплюються на амінокислоти. З амінокислот будуються нові білки, властиві даному організму. Але будуються вони тільки з лівих амінокислот. Отже, дзеркально відбите молоко йому ні до чого. Праві амінокислоти не годяться для синтезу білка.

Послідовність амінокислот у білковій ланцюга називається її первинною структурою.

Об'єднання амінокислот в білкову ланцюг відбувається за рахунок груп NH ₂ і COOH з відщепленням молекул води. Власне кажучи, це не полімеризація, а поліконденсація. Цей процес застосовується і в техніці-за допомогою поліконденсації готуються синтетичні волокна - капрон і найлон. Але в капроні всі ланки однакові, а в білку 20 різних ланок - амінокислот.

У певному білку амінокислотні залишки розташовані в строго певній послідовності. У цьому сенсі білок подібний до тексту, надрукованого 20-буквеним алфавітом.

Зміст тексту залежить від послідовності букв. Фізико-хімічні і, отже, біологічні властивості білка визначаються його первинною структурою - послідовністю амінокислотних залишків у білкового ланцюга.

У будь-яких текстах зустрічаються друкарські помилки. Вони можуть кардинально змінити зміст написаного. В одному німецькому виданні твору Ніцше "Так говорив Заратустра" замість слова Incest (кровозмішення) було надруковано слово Insect (комаха). Вийшло, що Заратустра народився від комахи.

Відомі "помилки" і в білковому тексті. Вони змінюють біологічні властивості білка і приводять до дуже тяжких наслідків для організму.

Білки функціонують у водному середовищі. Полімерного ланцюга в розчині покладається згортатися в безладний клубок, цього вимагає другий початок термодинаміки. Але якщо б білки існували в клубкообразном стані, то це суперечило б точності та специфічності їх дії. Біологічно функціональні білки не є такими клубками. Навпаки, їх структура впорядкована, так як свобода внутрішніх поворотів у білкового ланцюга сильно обмежена.

Білкова ланцюг згорнута у вигляді гвинтової спіралі завдяки внутрішнім поворотів навколо одиничних зв'язків C-C і C-N. Спіральна конформація утримується завдяки водневим зв'язкам між N-H - групою однієї пептидного зв'язку і C = O - групою інший пептидного зв'язку.

При нагріванні білка, при зміні його оточення (вплив кислот, лугів та ін) вторинна структура руйнується. Відбувається перехід спіраль - клубок за принципом "все або нічого". Іншими словами, аж до деякої температури (зазвичай менше 100 ^° C) спіраль стійка, а потім руйнується як ціле. Ми зустрічаємося тут з кооперативним явищем, подібним фазового переходу (не можна звільнити один атом, не чіпаючи його сусідів, також не можна звільнити одна ланка в a-спіралі, не розірвавши сусідніх водневих зв'язків.

Білкова ланцюг внаслідок слабких взаємодій між валентно не пов'язаними ланками згортається в компактну глобулу, яка є третинну структуру. Глобулярна структура визначає функціональні властивості білка, і перш за все його ферментативні властивості.

Не треба плутати глобулу з безладним полімерним клубком. Клубок-рухлива, флуктуирующими система, зайва порядку. У глобул зберігається деяка рухливість ланок білкового ланцюга, але в цілому вона має цілком певну будову.

Глобула стабілізована цілою сукупністю переважно слабких взаємодій. (Слабкі взаємодії - це водневі зв'язки, ван-дер-ваальсові сили, електростатичні взаємодії між зарядженими групами. Особливо важливу роль відіграють гідрофобні взаємодії). Крім того, є нечисленні додаткові хімічні зв'язки - дисульфідні зв'язки S-S між залишками цистеїну.

Серед 20 амінокислот є гідрофільні (глутамін, аспарагін, гліцин та ін) і гідрофобні (триптофан, ізолейцин, тирозин та ін.) Гідрофобні амінокислоти мають вуглеводневі R-групи.

Завдяки гідрофобним взаємодіям гнучка білкова ланцюг згортається в глобулу таким чином, що гідрофобні залишки виявляються в центральній частині глобули і не контактують з водою.

Глобулярну структуру мають білки, що існують і функціонують в розчині у вигляді окремих молекул. Білки, що утворюють різні тканини в організмі, частіше за все мають форму волокон, тобто фібрилярні (павутина, шовк, шерсть, колаген).

Білки можуть з'єднуватися з додатковим компонентом і в цьому випадку вони називаються протеїди: Металопротеїни (у нітрогенази, що забезпечує фіксацію азоту в бульбочкових бактерій, присутня молібден), фосфопротеіди, хромопротеїди (гемоглобін), ліпопротеїди (з жироподібним компонентом), глікопротеїди (вуглеводний компонент), нуклеопротедіи (з нуклеїновими кислотами).

Нуклеїнові кислоти. Це найбільші з молекул, утворених живими організмами. Їх мономерами є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається з трьох молекул: фосфорної кислоти, пентозном цукру і гетероциклічного азотистого підстави. Нуклеотиди ДНК містять цукор-дезоксирибозу і одне з чотирьох азотистих основи - аденін, гуанін, цитозин або тимін. Нуклеотиди РНК містять цукор - рибозу і одне з чотирьох азотистих основ - аденін, урацил, тимін або цитозин.

Схема будови нуклеотиду:

фосфорна кислота - цукор - азотна основа

Молекула РНК є одинарної ланцюжком нуклеотидів, а молекула ДНК - подвійний. У більшості організмів ДНК є носієм генетичної інформації (кодує структуру білків), а РНК бере участь у синтезі білків. У деяких вірусів (наприклад, онкогенних) немає ДНК, а носієм генетичної інформації у них є РНК.

Структура молекули ДНК:

Матричний синтез. Інформаційні макромолекули

На молекулярно-генетичному рівні в межах клітини здійснюються процеси зберігання, відтворення та реалізації генетичної інформації. Генетична інформація полягає в кодуванні структури білків - послідовності амінокислот в їх молекулах. Ця інформація "записана" послідовністю нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот. Носієм спадкової інформації у більшості організмів служить ДНК, і лише в деяких вірусів - РНК.

Відтворення генетичної інформації здійснюється шляхом подвоєння - редуплікації молекул ДНК. Молекула ДНК є подвійною ланцюжок нуклеотидів. Нуклеотиди двох ланцюжків сполучені строго певним способом, утворюючи пари А-Т і Ц-Г. У результаті ланцюга ДНК виявляються комплементарними або додатковими. Редуплікація молекул ДНК виражається в розходженні її ланцюгів і синтезі на них, як на матрицях, нових ланцюгів. У силу принципу комплементарності нові молекули ДНК виявляються ідентичними вихідної молекулі.

Материнська розбіжність синтез комплементарних

Молекула ДНК ланцюгів ланцюгів та освіта

Дочірніх молекул ДНК

АТАГАГЦЦЦТЦА - АТАГАГЦЦЦТЦА - матриця

/ ТАТЦТЦГГГАГТ - нова ланцюг

АТАГАГЦЦЦТЦА

ТАТЦТЦГГГАГТ

\ АТАГАГЦЦЦТЦА - нова ланцюг

ТАТЦТЦГГГАГТ - ТАТЦТЦГГГАГТ - матриця

У здатності молекул ДНК до самоудвоение укладена дивовижна таємниця спадковості - подібність батьків і дітей.

Реалізація генетичної інформації в клітині відбувається у два етапи: 1 - синтез молекул інформаційної РНК на одному з ланцюжків ДНК отримав назву транскрипції генетичної інформації у зв'язку з тим, що послідовність АТЦГ в молекулах ДНК перетворюється в послідовність АУЦГ в молекулах РНК, і 2 - синтез білків з амінокислот на рибосомах - трансляція генетичної інформації, яка полягає в тому, що послідовність нуклеотидів інформаційної РНК перетворюється в послідовність амінокислот в молекулі білка.

Тема 2.1. Живі системи

Термодинамічні особливості живих систем. Термодинамічні основи життя розглянуті Е. Шредінгер у книзі "Що таке життя з точки зору фізика?" (1945). Він зазначив, що на перший погляд є рішуче протиріччя між еволюцією ізольованою фізичної системи до стану з максимальною ентропією, відповідно до другого початку термодинаміки, і біологічною еволюцією, що йде від простого до складного. Організми, однак, не ізольовані, а відкриті системи, що обмінюються з навколишнім середовищем і речовиною, і енергією. Перебуваючи в нерівноважному стані, організми підтримують цей стан, постійно роблячи роботу проти термодинамічної рівноваги (Е. Бауер, 1936). Підтримання нерівноважного стану, або навіть зменшення ентропії стану організмів оплачується надходженням енергії ззовні і збільшенням ентропії в навколишньому середовищі. Так що в системі "організм-середовище" другий початок термодинаміки не порушується.

Принципи взаємодії організму і середовища проживання

Живий організм - відкрита, термодинамічно нерівноважна система, пов'язана з навколишнім середовищем обміном речовин і енергії. Середа - природні тіла та явища, з якими організм знаходиться в прямих чи непрямих взаєминах. Умови середовища - сукупність факторів, що впливають на організм.

Можна виділити умови, необхідні для нормальної життєдіяльності організму (тепло, вологість, освітленість, солоність) і ресурси речовини та енергії, які використовуються організмом для підтримки нерівноважного стану. Продукти метаболізму (обміну) з високим вмістом ентропії організм виділяє в навколишнє середовище.

Своєю життєдіяльністю організм змінює середовище, змінюючи і умови свого життя. Зміна в умовах середовища викликають зміни і характеру життєдіяльності чи поведінки організму, які носять адаптивний характер. Деякі зміни середовища можуть виявитися несумісними з життям, що викликає загибель або міграцію організму. Таким чином, взаємовідносини організму з середовищем характеризуються активністю організму по відношенню до середовища, що виражається в прагненні організму до самозбереження, гомеостазису, в пошуках або навіть створенні (для тварин) оптимальних умов для свого існування.

Принципи відтворення і розвитку живих систем

Найбільш вражаючим властивістю живої речовини є здатність до відтворення та еволюції. У всіх живих організмах процесом відтворення управляє ДНК, молекули якої разом з молекулами РНК постачають новий організм інформацією про те, як він повинен бути влаштований і як йому функціонувати.

Генетична інформація в ДНК закодована послідовністю нуклеотидів. Реалізується ця інформація у процесі синтезу білків. Інформація про структуру молекули білка - про послідовність амінокислот в ньому - міститься в одній з дільниць однієї з молекул ДНК. Ця ділянка називається геном.

Сукупність усіх генів, які містяться в молекулах ДНК даного організму, називається генотипом. Сукупність ознак і властивостей організму називається фенотипом. Фенотип формується в ході індивідуального розвитку - онтогенезу. Фенотип організму на різних стадіях онтогенезу різний. Весь хід онтогенезу, його стадії і кінцевий результат, тривалість запрограмовані генотипом. Однак ця програма допускає зміни ходу онтогенезу, ознак і властивостей організму під впливом умов зовнішнього середовища в межах, які називаються нормою реакції. Такі зміни носять пристосувальний, або адаптивний характер і називаються модифікаціями.

На молекулярному рівні здатність до відтворення забезпечується реплікацією подвійних спіралей ДНК: на одній з половинок старої молекули синтезується половинка нової, в результаті з однієї материнської молекули ДНК виходить дві дочірніх, які ідентичні один одному і материнської. Це матричний спосіб відтворення інформації: спіралі материнської молекули ДНК є матрицями для синтезу дочірніх молекул.

Іноді при реплікації ДНК відбуваються зміни в послідовності нуклеотидів, які зберігаються і відтворюються при подальшої реплікації. Такі зміни послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК призводять до зміни послідовності амінокислот в молекулах білків і називаються мутаціями. Мутації призводять до зміни фенотипу, які можуть бути корисними, нейтральними або шкідливими, що є причиною диференційного розмноження особин з різними генотипами. Диференціальне розмноження лежить в основі біологічної еволюції.

Клітинна будова організмів. Принципи структурної організації і регуляції метаболізму

Вперше клітини (точніше, порожні і вже неживі клітинні стінки) побачив у мікроскоп Роберт Гук у 1665 році. Основний внесок у розвиток клітинної теорії внесли Т. Шванн (1838) і Р. Вірхов (1855).

Всі живі організми побудовані з клітин: одноклітинні - з однієї, багатоклітинні - з безлічі клітин, що утворюються шляхом ділення з однієї клітини-зиготи. Людське тіло складається приблизно з (Одного квадрильйона) клітин.

Клітка володіє всіма основними властивостями живої системи: обміном речовин і енергії (метаболізм), розмноженням і зростанням, реактивністю і рухом. Вона є найменшою структурною і функціональною одиницею живого.

Клітка складається з трьох основних частин: 1) поверхневої або клітинної мембрани, яка відокремлює клітину від зовнішнього середовища і контролює обмін між клітиною і середовищем; 2) цитоплазми, що містить різноманітні мікроструктури і органели і 3) клітинного ядра, в якому міститься ДНК - хранитель генетичної інформації.

Клітинна мембрана являє собою подвійний шар молекул ліпідів, в який вбудовані молекули білків. Клітина здатна виділяти за межі своєї зовнішньої мембрани різні речовини, наприклад слиз, целюлозу, що утворюють клітинні стінки, та інші матеріали, а також вибірково поглинати різні речовини ззовні. Мембрана забезпечує підтримку певної концентрації солей всередині клітини на постійному рівні. Погублена клітина втрачає контроль над внутрішньою концентрацією різних речовин, особливо солей.

Поглинання і виділення різних речовин живої клітиною контролюється особливими білками, вбудованими в мембрану. Ці білки служать як би воротами або насосами, і їх робота пов'язана зі споживанням енергії.

Всередині мембрани укладено клітинне вміст - дуже в'язка середа, звана цитоплазмою. У цитоплазмі знаходяться різноманітні органели, які також зазвичай оточені мембранами. До них відносяться мітохондрії, у яких укладено дихальні ферменти. Тут "спалюються" цукру і синтезується АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), багата енергією. У рослинних клітинах крім мітохондрій є хлоропласти, що містять хлорофіл. Тут відбувається фотосинтез, у ході якого синтезуються цукру і молекули АТФ.

У клітинах бактерій ДНК вільно розташовується в цитоплазмі. У клітинах грибів, рослин і тварин ДНК входить до складу хромосом, які розташовуються в ядрі. Ядро відокремлене від цитоплазми ядерною мембраною.

У типовій клітині міститься понад 500 різних ферментів і протікають сотні і навіть тисячі хімічних реакцій, які здійснюються за допомогою білків-ферментів. Синтез всіх необхідних клітині речовин контролюється таким чином:

1) З допомогою репресії (придушення) або індукції синтезу на генному рівні. Кінцевий продукт біосинтезу може вимкнути роботу відповідного гена (репресія). Надійшло в клітку або образовашееся в ній речовина може включити роботу відповідного гена (індукція).

2) За допомогою інгібування (придушення) кінцевим продуктом активності ферментів. Якщо речовина стає доступним в достатній кількості, то це веде до придушення синтезу як його самого, так і ферментів, які беруть участь у його утворенні.

Інгібування кінцевим продуктом є прояв негативного зворотного зв'язку, звичайного механізму регулювання, який зустрічається не тільки в клітинах. Наприклад, коли вода з туалетного бачка спущена, він знову наповнюється до потрібного рівня. Термостатичні пристрій під дією тепла відключає систему обігріву кімнати, а наповнений шлунок через посередництво нервової системи вимикає почуття голоду.

Життєвий цикл клітини

Нові клітини утворюються тільки в результаті поділу попередніх клітин (принцип Вірхова). Основний спосіб поділу клітин - мітоз. Життєвий цикл клітини являє собою проміжок часу від моменту виникнення клітини до подальшого поділу. У цей час клітина росте, спеціалізується і виконує відповідні функції у складі тканин і органів багатоклітинного організму.

Тканини тваринного організму характеризуються різною долею складових їх клітин. Так, в постійно оновлюються тканинах (кістковий мозок, кишковий епітелій, епітелій шкіри) більшість клітин постійно перебувають у мітотичний цикл (до 80%). У зростаючих тканинах (печінка, нирки), навпаки, тільки 5-10% клітин безперервно діляться, а інші виходять з мітотичного циклу і диференціюються. Клітини стабільних тканин (нервової та м'язової систем) в кінці ембріонального періоду виходять з мітотичного циклу, необоротно диференціюються і виконують специфічні функції протягом всього життя організму.

Єдність і різноманіття клітинних типів

Різноманітність клітин настільки ж дивно, як і різноманітність рослин і тварин. Найпростіше влаштовані клітини ціанобактерій і справжніх бактерій. У них відсутні ядра, мітохондрії, пластиди та деякі інші структури, характерні для клітин вищих організмів, не розвинена система внутрішніх мембран. У зв'язку з відсутністю ядра такі клітини називаються прокариотическими.

Бактеріальні клітини можуть бути округлими, паличкоподібними, вигнутими або скрученими. Клітини кулястих бактерій (коків) здатні склеюватися один з одним, утворюючи пари, грудочки, плівки або довгі ланцюги. Паличкоподібні бактерії (бацили) можуть утворювати пари або ланцюжка, але частіше живуть як поодинокі клітини.

Клітини справжніх водоростей і наземних рослин, грибів і тварин мають оформлене ядро і називаються еукаріотичних.

Величезне число еукаріотичних організмів існують як окремі клітини: одноклітинні водорості (хлорели), одноклітинні гриби (дріжджі) і одноклітинні тварини (амеби, інфузорії).

Клітини багатоклітинних рослин і тварин можуть виглядати абсолютно по-різному. Людина, наприклад, як і всі інші хребетні, складається з нервових і м'язових клітин, клітин печінки, кісткової тканини і багатьох інших. Різноманітність форми і розмірів клітин відповідає різноманітності їх функцій.

Незважаючи на це розмаїття в основі своїй всі клітини дуже подібні, і кожна клітина здійснює всі основні життєві функції, які властиві будь-якій живій істоті.

Диференціація та інтеграція функцій в організмі

Багатоклітинні організми, до яких відносяться вищі рослини і тварини, складаються з безлічі спеціалізованих клітин, які походять з однієї вихідної неспеціалізованою клітини, в типовому випадку зиготи. Питання про те, як відбувається ця спеціалізація, який механізм координує розвиток різних клітин і організовує побудова їх них різних тканин і органів, - один з найбільш хвилюючих у сучасному природознавстві.

Перша стадія, що веде до спеціалізації клітини, - це детермінація (приречення) її майбутньої ролі: чи стане вона печінкової, м'язової або нервової та ін Доля клітки визначається на ранньому етапі ембріонального життя і залежить від її положення в ембріоні. Наприклад, у зародка саламандри, коли він ще виглядає як майже безформний грудочку, можна взяти шматочок шкіри з місця майбутньої передньої кінцівки і пересадити на бічну сторону іншої ембріона. Пізніше на цьому незвичайному місці розвинеться додаткова передня лапа, що росте на боці саламандри. Отже доля пересадженого шматочка шкіри вже була необоротно зумовлена.

Через деякий час після того, як визначиться майбутня роль клітини, ця клітина і її нащадки починають готуватися до виконання своїх спеціальних функцій. Клітини, призначені для виконання певної функції, в міру зростання і ділення, стають все більш і більш спеціалізованими і групуються в орган. Цей процес відбувається за неймовірною точністю. Вражаючий приклад - зростання тисяч нервових волокон з сітківки ока по напрямку до зорових центрів мозку.

Для координації і управління функціями у вищих тварин служать дві комунікаційні системи - нервова і гуморальна.

Завдяки нервовим клітинам, які, подібно "датчикам" в системах регуляції, стежать за параметрами внутрішнього середовища (рівнем цукру, змістом CO _2, температурою тіла тощо) тваринний організм може підтримувати постійність внутрішнього середовища. Це явище називається гомеостазом і найвищого розвитку досягає у птахів і ссавців.

Гормональна система є і у тварин, і у рослин. Гормони - це органічні сполуки, які утворюються в спеціалізованих клітинах у невеликих кількостях і транспортуються по всьому організму з рідинами тіла (кров і пр.) і специфічно керують функціями інших клітин або органів далеко від місця свого утворення.

До гормонів відносяться у рослин ауксини, гібереліни, цитокініни (регулятори росту); у тварин - тироксин (щитовидна залоза), адреналін і норадреналін (мозкова речовина надниркових залоз), інсулін (підшлункова залоза) і стероїди - гормони кори надниркових залоз і статеві гормони.

У найпростішому випадку сама концентрація регульованого гормоном субстрату гальмує або посилює утворення гормону. Наприклад, підвищена концентрація глюкози в сироватці крові стимулює секрецію інсуліну, який знижує концентрацію глюкози, посилюючи синтез глікогену з неї. Навпаки, зростання концентрації кальцію гальмує виділення гормону паращитовидної залози, який регулює обмін кальцію і фосфату.

Багато ендокринні залози самі перебувають під гормональним контролем. Центральне місце в ієрархії ендокринних залоз займає гіпофіз, тісно пов'язаний з гіпоталамусом. Передня частка гіпофіза виробляє п'ять гормонів, які спонукають периферійні ендокринні залози викидати в кров свої гормони, а ці останні в свою чергу роблять гальмівний вплив на гіпоталамо-гіпофізарну систему.

Розмноження і розвиток організмів

Розмноження - один з основних феноменів, властивих всьому живому. Воно забезпечує збереження видів у ряду поколінь.

При безстатевому розмноженні нова особина виникає з однієї або декількох здатних до поділу клітин старої особини.

Розмноження одноклітинних організмів здійснюється шляхом ділення батьківської клітки. У даному разі смерті організму у звичному розумінні не спостерігається: одноклітинні потенційно безсмертні.

У багатоклітинних організмів клітини диференціюються на генеративні і соматичні (сома - тіло).

При статевому розмноженні в результаті злиття статевих клітин (гамет) утворюється зигота, з якої потім розвивається нова особина. Батьківські особини, залишивши потомство, вмирають.

Безстатеве розмноження широко поширене у нижчих організмів, але нерідко зустрічається і у вищих. Воно має певні переваги, які полягають в тому, що дочірній організм отримує точні копії всіх генів материнського організму, так що батьки і діти будуть генетично ідентичні. Цю ідентичність ми спостерігаємо при розмноженні рослин живцями, відводками, бульбами і пр.

Статеве розмноження призводить до утворення нових комбінацій генів, отриманих від двох батьків, і тим самим є причиною комбинативной мінливості, яка обумовлює генетичну унікальність майже кожної дочірньої особини і є важливим фактором еволюції.

Розвиток організмів полягає в поступовій реалізації спадкової інформації, отриманої від батьків.

Індивідуальний розвиток - онтогенез поділяють на два етапи: ембріональний і постембріональний періоди.

Ембріональним називається період з моменту утворення зиготи до народження чи вилуплення з яйця.

У ембріональному періоді розвитку виділяють наступні етапи: 1) дроблення - розподіл зиготи і освіта дрібніших бластомерів, освіта багатоклітинного зародка;

2) гаструляція - освіта зародкових листків (ектодерми і ентодерми) в результаті переміщення клітинних мас; потім між ними утворюється третій зародковий листок - мезодерма;

3) первинний органогенез - освіта комплексу осьових органів (у хордових): нервової трубки, хорди, кишкової трубки.

При подальшій диференціювання клітин зародкових листків з ектодерми утворюються нервова система, органи чуття, епітелій шкіри, емаль зубів; з ентодерми - епітелій середньої кишки, печінка, підшлункова залоза, епітелій легенів; з мезодерми - м'язова тканина, сполучна тканина, кровоносна система, нирки, статеві залози.

Ембріональний розвиток вищих хребетних (рептилій, птахів і ссавців) включає освіту зародкових оболонок: жовткового мішка, аллантоиса і амніону.

Ембріональний розвиток може бути прямим або супроводжуватися перетворенням - метаморфозом.

Смерть і її біологічний сенс

Перебіг людського життя, як і життя всіх інших істот, від народження до смерті запрограмовано генетично. Хоча середня тривалість життя в результаті успіхів медицини за останні сто років у розвинених промислових країнах майже подвоїлася і росте далі, максимальна тривалість життя залишилася майже незмінною.

Ми мало знаємо про те, якими причинами зумовлений процес старіння багатоклітинного організму. Старіння, яке найбільш вивчений у ссавців, можна визначити як зміни, що накопичуються в організмі з плином часу і наближають його до смерті (уповільнення процесів репарації та регенерації, зниження ефективності та активності імунної, нервової та ендокринної систем, порушення обміну кальцію та ін.) Однак важко вирішити, що тут причина, а що лише симптоми старіння. Однією з причин старіння вважається накопичення мутацій у всіх клітинах тіла, але це не стосується до всіх видів. Спроби знайти єдину причину старіння закінчуються невдачею.

Клітини і тканини в культурі in vitro від одноклітинних організмів до експериментально ізольованих клітин або навіть тканин рослин і тварин потенційно безсмертні, їх загибель настає лише за несприятливих умовах.

Усі багатоклітинні організми "приречені" на смерть, але лише людина знає про це, усвідомлює свою смертність. Свідомість людиною неминучості своєї смерті робить для нього непереборною питання про сенс життя. Ось чому смерть є вічна тема культури, "надихаючий геній філософії" (Сократ).

Сенс смерті - створення умов для розвитку, збагачення життя, так як видовий, родовою, в тому числі і соціальний прогрес можливий лише у формі постійної зміни поколінь індивідів - тимчасових і реальних втілювачів родових властивостей і відносин.

Старіння і смерть - генетично запрограмовані. Для кожного виду характерна певна тривалість життя, яка може змінюватися під дією відбору.

Різноманіття біологічних видів - основа організації та стійкості біосфери

Біосфера Землі населена безліччю найрізноманітніших живих істот: бактерій, грибів, рослин і тварин, загальна кількість видів яких перевищує 2 млн. Завдяки життєдіяльності організмів у біосфері здійснюється кругообіг речовин і перетворення енергії, поза яким не може існувати жоден живий організм. Повнота і стійкість біотичного кругообігу залежить від кількості видів, що у ньому.

Принципи систематики і таксономії

Живе відрізняється надзвичайним різноманіттям, вивченням якого займається систематика, або таксономія. Завданням систематика (таксономістів) є виділення та опис таксонів - груп організмів, що володіють певним подібністю будови, функцій, поведінки. Ця схожість з часів Дарвіна пояснюється єдністю походження. Ранг таксону визначається за допомогою систематичних категорій, які утворюють наступний ієрархічний ряд від нижчого до вищого: вид, рід, сімейство, загін, клас, тип, царство. Кінцевою завданням систематика є побудова системи таксонів органічного світу, яка правильно відображає філогенетичні (еволюційні) відносини між групами організмів. Така система називається природною.

Плани будови і принципи функціонування представників основних таксонів

Колишній поділ організмів на рослини і тварини застаріло. Сучасна біологія виділяє від чотирьох до семи і більше царств живої природи: віруси, архебактерии, еубактеріі, Найпростіші, рослини, гриби і тварини.

Віруси відносяться до доклеточний організмам. Вони не мають клітинної будови і можуть розмножуватися тільки в справжніх клітинах. Віруси складаються з нуклеїнових кислот (РНК або ДНК) і білків. При зараженні клітини вірус в неї проникає тільки нуклеїнова кислота вірусу, яка змушує клітину виробляти нові вірусні частки. Віруси деякими вченими розглядаються як "заблукали" або "здичавілі" гени.

Виявлено, що віруси є причиною виникнення мутацій. Після вірусних захворювань (інфекційна жовтяниця, кір, грип, енцефаліт та ін) у людини і тварин різко зростає кількість пошкоджених хромосом. Геном вірусу може включатися в геном господаря, і віруси можуть переносити генетичну інформацію від одного організму до іншого як одного, так і різних видів.

В даний час відомо близько 200 форм тварин вірусів, 170 рослинних і 50 вірусів, що паразитують в бактеріях (бактеріофагів).

Архебактерії і еубактеріі відносяться до прокариотам - клітинних організмів, які не мають цього ядра. Основні ознаки прокаріотів: генетичний апарат представлений однією кільцевою молекулою ДНК; відсутні пластиди, мітохондрії, вакуолі; відсутній статевий процес, мейоз і мітоз.

До архей відносяться метаноутворюючих бактерії, що живуть в болотах і на затоплених рисових полях. Метан поряд з двоокисом вуглецю впливає на виникнення "парникового ефекту", що веде до потепління атмосфери Землі. Найважливіші постачальники метану - болота Західно-Сибірської низовини і Амазонії, рисові поля Кубані, Середньої Азії, Китаю, Японії, країн Південно-Східної Азії.

В даний час відомо близько 3000 видів бактерій і 1400 видів синьозелених (ціанобактерій).

Зелені і пурпурні бактерії - фотосинтезуючі організми, але на відміну від зелених рослин вони не виділяють кисень у результаті цього процесу.

Хемосинтезирующие бактерії використовують енергію окислювальних процесів: серобактерии окислюють сірководень до сірки; нитрифицирующие бактерії перетворюють аміак на азот і азотну кислоту; железобактерии перетворюють закисное залізо в окисне.

Частина бактерій використовують енергію процесів бродіння, кінцевим продуктом якого є органічні кислоти: найбільш відомі молочнокислі, маслянокислі і оцтовокислі бактерії.

Гнильні бактерії використовують енергію, що вивільняється при розщепленні білків. Кінцевим продуктом їх діяльності є азотні сполуки, в подальшому окисленні яких беруть участь нитрифицирующие бактерії.

Бактерії, що виникли на найбільш ранніх етапах еволюції життя, зіграли важливу роль у створенні сучасного складу атмосфери, у зміні лику Землі.

Ціанобактерії - фотосінтетікамі і побічним продуктом їх фотосинтезу, як і у зелених рослин, є кисень. Синезелениє чудові тим, що здатні використовувати азот повітря і включати його в органічні сполуки. Деякі синьозелені можуть мати додаткові пігменти, які змінюють їх колір до чорного, коричневого та червоного. Колір Червоного моря визначається широким розповсюдженням в ньому пурпурно пігментованих синьозелених.

Синезелениє представлені не тільки одноклітинними, але також колоніальними, нитчасті і багатоклітинними формами. Це найдавніші організми Землі, до цих пір грають дуже важливу роль у кругообігу речовин і перетворенні енергії в біосфері.

До еукаріотів відносяться рослини, гриби і тварини. Їх клітини мають справжні ядра, в яких розташовуються хромосоми - лінійні молекули ДНК, пов'язані з білками.

Царство рослин включає організми, для яких характерне автотрофне харчування шляхом фотосинтезу, для чого служать пластиди (хлоропласти): справжні водорості, червоні водорості і вищі рослини.

До даних водоростям відносяться, зокрема, золотисті водорості (близько 400 видів), зелені водорості (близько 5700 видів) і бурі водорості (до 1500 видів). Тіло найпростіших водоростей складається з однієї або двох клітин. Є нитчасті і пластинчасті форми, що складаються з багатьох клітин, але справжніми багатоклітинними організмами, для яких характерна диференціація на тканини і органи, водорості не є.

Червоних водоростей налічується до 4000 видів. Їх клітини крім хлорофілу містять пігмент фікоеритрин, який дозволяє існувати цим водоростям на глибинах до 100 м, на яку проникають тільки блакитні, сині й фіолетові промені.

Тіло вищих рослин розчленоване на корінь, стебло і листя. Коренева система, що пронизує грунт, забезпечує рослину водою і мінеральними солями, у зв'язку з чим для вищих рослин характерна нерухомість. Вищі рослини поділяються на спорові (мохоподібні -23000 видів, папоротеподібні - 6600 видів) і насіннєві (голонасінні - 640 видів і покритонасінні - 200000 видів).

Грибов відомо близько 100000 видів. До них відносяться хлібна цвіль, пеніціллум, шапинкових грибів, трутовики. Тіла грибів складаються з ниток (гіфів), що утворюють міцелій. Клітинна оболонка містить хітин, який входить до складу покривів комах. Запасним речовиною є глікоген - полісахарид, характерний для тварин. Деякі види грибів входять до складу лишайників. Роль грибів дуже важлива в розкладанні рослинних залишків.

Всі тварини - гетеротрофні організми. Вони активно добувають їжу, поїдаючи, як правило, живі організми. Видобуток такого корму вимагає рухливості, з чим пов'язаний розвиток органів пересування, опорно-м'язової системи, нервової системи та органів чуття. Їжа тваринами проковтується або в цілому вигляді, або по частинах за участю зубної системи. Такий спосіб харчування супроводжується розвитком травної, кровоносної, дихальної та видільної систем органів. Тварини характеризуються поведінкою (харчовим, територіальним, оборонним, стадним, статевим), яке може бути дуже складним.

Організація тварин відрізняється винятковою різноманітністю, а число відомих видів (не рахуючи вимерлих) перевищує 1,5 млн у тому числі:

Найпростіші 260000

Губки 10000

Кишковопорожнинні 10000

Черви круглі до 1 млн.

Черви кільчасті 15000

Членистоногі (ракоподібні, 39000 павукоподібні, 63000 комахи) 1 млн.

Молюски 100000

Голкошкірі до 6000

Хордові 41000

Еволюційний та індивідуальний розвиток. Онтогенез і філогенез

Спостережуване різноманіття життя є результатом її еволюції протягом майже 4 млрд. років. Біологічна еволюція виражалася у зміні видів, появі нових видів з більш складною організацією, в ускладненні структури співтовариств (біоценозів). На біологічну еволюцію істотний вплив робили умови, які складалися в географічній оболонці Землі, до яких види повинні були пристосовуватися. З іншого боку, організми самі надавали глибоке вплив на географічну оболонку Землі, змінюючи її фізичні і хімічні параметри. До цих нових умов організми також повинні були пристосовуватися в процесі еволюції. Поява нових видів викликало необхідність пристосування до існування з ними старих. В результаті деякі з колишніх видів вимирали. Еволюція, таким чином, носила зв'язаний характер, що виражається терміном "коеволюція".

Найбільш загальним виразом еволюції є ускладнення організації життя, будови, функцій і поведінки організмів. Це означало ускладнення індивідуального розвитку (онтогенезу). Поява нових ознак і властивостей, нових видів відбувалося в результаті змін в ході онтогенезу предків. Онтогенез нових видів не тільки містив нові стадії і фази розвитку, але також зберігав деякі особливості розвитку предків. У результаті в онтогенезі нових видів спостерігається повторення деяких стадій онтогенезу предків, що знайшло вираження у біогенетичному законі: онтогенез є коротке повторення філогенезу.

Генетика і еволюція

Унікальною особливістю молекул ДНК є їх здатність до самокопірованія - редуплікації. Комплементарність азотистих основ забезпечує повну подібність дочірніх молекул з материнської. У цьому полягають молекулярні основи спадковості. Організми, що мають однаковий набір молекул ДНК або генів, генетично ідентичні і фенотипічно однакові. Такі однояйцеві близнюки, або рослини одного сорту, отримані від однієї особини шляхом вегетативного розмноження. Такі організми можуть відрізнятися особливостями, які виникають під впливом умов середовища на хід індивідуального розвитку, але ці зміни у спадок не передаються, хоча вони генетично обумовлені.

Однак існують причини, що викликають спадкові або генетичні відмінності між особинами одного виду: мутації - зміна структури генів, хромосом і каріотипів і комбінування генів як результат статевого процесу.

Частота мутацій окремих генів лежить в межах . Однак у зв'язку з тим, що число генів у генофонді будь-якій популяції дуже велика, кількість всіх виникаючих у кожному поколінні мутацій також дуже велика.

Випадкові, ненаправлення зміни генетичних програм, накопичуючись з покоління в покоління, повинні були б зруйнувати і самі програми, і ті фенотипи, які цими програмами кодуються. Однак добре відомо, що структури організмів зберігаються в ряду поколінь. Більш того, в ході еволюції відбувалося ускладнення структур, що на перший погляд суперечить другому початку термодинаміки.

Природний відбір пропускає в наступне покоління програми або не занадто сильно змінені, або з корисними змінами, в тому числі і більш складні, якщо вони підвищують шанси на виживання і розмноження. У результаті виникають і удосконалюються адаптації і здійснюється прогресивна еволюція.

Спрямованість мутацій не залежить від зовнішніх впливів, але деякі зовнішні сили збільшують частоту мутацій. Мутаційний процес не носить спрямованого характеру в тому сенсі, що виникають найрізноманітніші зміни, серед яких лише деякі зміни виявляються корисними в даних умовах. Саме в цьому сенсі використовується поняття "випадковий характер мутацій".

Спрямованість еволюції визначається природним відбором. Чарлз Дарвін не вважав, ніби природа насправді відбирає що-небудь, як людина, вирішальний, як йому вчинити в тому чи іншому випадку. Вираз "природний відбір - це виживання найбільш пристосованих" означає, що напрямок відбору визначається характером відносин між організмами і середовищем (або в розумінні Дарвіна - характером боротьби за існування).

Суть процесу природного відбору полягає в тому, що різні організми, з різними генотипами, мають різні коефіцієнти відтворення. Реальні результати відбору виражаються в цифрі, що характеризує чистий ймовірність виживання і відтворення, тобто шанси якогось організму на світ потомство, яке доживе до віку батьків до моменту його появи на світ.

Одиницею еволюції (елементарної еволюціонує системою) є популяція. Частота різних генотипів в популяції залежить від частоти генів в її генофонд, і ця залежність виражається формулою Харді-Вайнберга:

де p - частота домінантного гена A, q - частота рецесивного гена - Частота домінантних гомозигот, 2pq - частота гетерозигот і - Частота рецесивних гомозигот.

Частота генів у даної популяції залишається постійною від покоління до покоління, поки не піддається зміні під дією якої-небудь причини (рушійної сили).

Однією з таких сил є мутаційної тиск, який збільшує частоту мутантних генів, оскільки мутації генів представляє собою процес, що повторюється.

Другим чинником, здатним радикально змінити співвідношення генів в популяції, є випадок. У малих популяціях коливання чисельності особин призводить до випадкового зміни частоти генів, що визначається випадковим характером збереження особин, що володіють деякими нейтральними відмінностями. Такі випадкові зміни частоти генів називаються генетичним дрейфом.

Головною причиною зміни частоти генів у популяції є природний добір, який має і величину, і напрям. Величина визначається коефіцієнтом відтворення, а напрям - характером заміщення одного аллельного гена іншим.

Література

Рувінський А.О. Еволюція статі і походження многоклеточности / Природа, 1990, 7
Геодакян В.А. Еволюційна теорія підлоги / Природа, 1991, 8
Гершензон С.М. Походження та еволюція підлоги / Природа, 1991, 1
Ланда П.С., Розенблюм М.Г. Автоколивання в живих організмах / Природа, 1992,8
Мазін А.Л. Чи можна не старіти / Природа, 1994, 11
Озернюк Н.Д. Траєкторії онтогенезу / Природа, 1992, 9.

Тема 2.2. Людина: організм і особистість

Аристотель (384-322 до РХ) вперше детально розглянув людське тіло, вказав місце, займане людиною в системі тваринного світу та відзначив такі кардинальні відмінності між людиною і тваринами, як прямоходіння, великий головний мозок, мова і розум.

Великий натураліст XVIII століття, автор "Системи природи" (1735) Карл Лінней відніс людину до царства тварин, помістивши в загін приматів і давши назву Людина розумна (Homo sapiens): "Він належить до цього царства по тілесному своєму додаванню ..."

Дійсно, організм людини, як і у всіх вищих тварин, складається з систем, що виконують певні функції і освічених органами, тканинами і клітинами. У загальних рисах особливості їх будови і функціонування однакові у всіх хребетних тварин. Важливо, однак, підкреслити не тільки схожість, але і відмінності, характерні для людини.

Положення людини в царстві тварин

Поява в процесі ембріонального розвитку людини хорди, зябрових щілин в порожнині глотки і нервової трубки визначають приналежність людини до типу хордових, а розвиток хребетного стовпа - до підтипу хребетних тварин.

Людина належить до класу ссавців, оскільки для нього характерна наявність молочних залоз і волосяного покриву.

У загоні приматів найбільш великі групи: напівмавпи (лемури та ін), собакоподібного (мавпи і пр.) і людиноподібні (орангутанг, горила, шимпанзе) - родина Pongidae.

Людини виділяють в окреме сімейство Hominidae з єдиним теперішнім виглядом Homo sapiens, а також його предками H.habilis (людина уміла) і H.erectus (пітекантропи і синантропи).

Сучасні люди і людиноподібні мавпи утворюють групу гоминоида, в якій до людини найбільш близькі африканські форми - горила і шимпанзе.

Людиноподібні пристосовані до життя в тропічних лісах. На землі вони пересуваються зазвичай на чотирьох кінцівках. Переважно наземний спосіб життя веде горила. Їжею людиноподібних служать плоди, листя, квіти, пагони і різні дрібні тварини.

У людиноподібних спостерігається відносно високий розвиток часткою лобової області, а також ускладнення ділянок кори, які в людини пов'язані з мовною діяльністю. Звивини мозку у людського ембріона в кінці сьомого місяця мають таку ж ступінь розвитку, як у мавп.

Сперматозоїди та яйцеклітини шимпанзе і горили за формою і розмірами майже не відрізняються від людських. У ході вагітності і пологів акті у людини і шимпанзе встановлено велику подібність. Новонароджений шимпанзе з густим волоссям на голові і при їх відсутності на тілі більше схожий на новонародженого людини, ніж дорослий шимпанзе на дорослу людину. Статева зрілість у самок шимпанзе настає до 8-10 років, у самців - до 12 років. Тривалість життя близька до людської.

Багато спільного у людини і людиноподібних в галузі патології і хвороб: грип, віспа, холера, сифіліс та ін За здатністю сприйняття кольорів шимпанзе близький до людини. Він добре розрізняє величину і форму предметів. Як показав ще Дарвін, мавпи здатні висловлювати на своєму обличчі почуття, подібні до людськими: гнів, переляк, радість, смуток, плач і сміх.

За допомогою методів молекулярної гібридизації показано, що у людини і шимпанзе 99% однакових генів.

Відмінні риси людини

У людини є ряд дуже важливих з його (людини) точки зору відмінностей від тварин, на частину з яких вказував ще Аристотель.

У зв'язку з прямоходінням - випрямлена положення тіла, вертикальність тулуба і шиї при повній розігнутися нижніх кінцівок у колінному зчленуванні, S-образно зігнутий хребет і добре врівноважена на ньому голова, склепінчасте будова стопи.

Крім того, людина має відмітними особливостями, не пов'язаними безпосередньо з прямоходінням: редукований волосяний покрив, майже нерухомі, але добре розвинені вушні раковини, прямий високий чистий лоб, добре окреслені брови, сильно розвинений зовнішній ніс, чіткий жолобок на верхній губі, сильно розвинена слизова або каемочная частина губ, видатний підборіддя.

Волосяний покрив у людини своєрідний: поряд із загальною редукцією його на тілі має місце характерний розвиток волосся в пахвових западинах і на лобку. На голові волосся густе, володіють постійним зростанням; борода, вуса і брови позбавлені відчутних волосся.

У людини сильніше, ніж у людиноподібних, виражені відмінності між статями (статевий диморфізм), який проявляється у вазі, довжині і пропорціях тіла, у волосяному і шкірному покривах. Жінка в середньому на 8 кг легше і на 9 см нижче чоловіки; волосяний покрив у неї розвинутий на тілі слабше, а підшкірний жировий шар - сильніше, волосся на голові гущі і ростуть інтенсивніше; плечі у жінки вже, талія більш виражена, таз ширший; сідниці розвинені сильніше, фізична сила приблизно на 1 / 3 менше чоловіча; голос в середньому на октаву вище.

Особливого розвитку у жінки досягають чумацькі залози, в той час як у самок людиноподібних видаються лише соски, а залозиста частина набухає незадовго до пологів, лише під час лактації, та й то не дуже помітно.

І, нарешті, найбільше відмінність людини від антропоїдів полягає у величині головного мозку.

Відомі своїми досягненнями люди і маса їх мозку у м:

Тургенєв І.С. письменник 2012

Кромвель О. політик, диктатор 2000

Бісмарк О. політик, рейхсканцлер 1807

Маяковський В.В. поет, художник 1700

Кант І. Філософ 1650

Ландау Л.Д. вчений, фізик 1580

Шиллер І.Ф. поет 1580

Гаус К.Ф. учений, математик 1492

Павлов І.П. вчений, фізіолог 1457

Данте Аліг'єрі поет 1420

Ульянов В.І. політик, диктатор 1340

Коні А.Ф. юрист, письменник 1130

Франс А. Письменник 1017

(З: С. В. Савельєв. Природа індивідуальності мозку людини. Природа, 1995, 9: 16-31).

Маса мозку залежить значною мірою від величини тіла тварини; більші тварини мають у загальному абсолютно великим мозком. Так, слон і кит перевершують людини за абсолютною величиною мозку.

Відносна маса мозку - відношення маси мозку до маси тіла вище у дрібних тварин; за цим показником людина поступається маленьким мавпам та деяким іншим дрібним ссавцям. При порівнянні різних тварин ні абсолютна, ні відносна маса мозку не можуть служити достатнім показником його розвитку.

Був запропонований квадратний покажчик маси мозку (E * E / S), що представляє собою твір абсолютної маси мозку на його відносну масу. За цим показником людина різко відрізняється від всіх тварин:

людина - 32,0

слон - 9,82 людиноподібні - 2,03-7,35

нижчі вузьконосі - 0,56-2,22

напівмавпи - 0,13-1,37

Цей покажчик відображає рівень "кефалізаціі" або цефалізаціі.

Мозок і вища нервова діяльність

Вища нервова діяльність визначена І. П. Павловим як умовно-рефлекторна функція кори головного мозку. Умовні рефлекси дуже широко поширені у тваринному світі і пронизують усі сторони повсякденного життя вищих тварин, включаючи людину.

Головна відмінність вищої нервової діяльності людини - мислення і мова. Сутність мислення - здатність до узагальнення. При узагальненні різних явищ людина відкриває закономірні зв'язки між ними - закони. Мислення - результат функції всієї кори головного мозку. Мова являє собою другу сигнальну систему, в якій слово - це сигнал сигналів.

Вищі функції нервової системи - здатність до розумової діяльності, усвідомлення сигналів з навколишнього середовища, до абстрактного мислення і запам'ятовування - значною мірою пов'язані з діяльністю кори великих півкуль. Кора служить структурною основою свідомості та інтелекту.

У корі головного мозку міститься близько 14 млрд. нейронів, велика частина яких (близько 90%) згруповані в шість шарів і утворює неокортекс - вищий інтегративний відділ соматичної нервової системи. Неокортекс відповідає за переробку та інтерпретацію чутливої інформації (слуховий, смаковий, соматосенсорной і зорової), а також за управління складними м'язовими рухами. Тут розташовані центри, які беруть участь у процесах абстрактного мислення, мови і зберігання пам'яті. Велика частина процесів в неокортексі є нейрофізіологічної основою свідомості.

Другий великий відділ кори головного мозку - палеокортекс. Ця частина кори має більш простий тришарової структурою. До палеокортекс ставляться відділи кори, пов'язані з лімбічної системою. Тут розташовані вищі вегетативні центри. Процеси, які відбуваються в палеокортекс, не завжди відображаються у свідомості.

Існує три асоціативні області кори: лобова, скронева і потилично-тім'яна. У лобної долі розташовані головні центри мовлення та письма. Самий передній відділ лобової частки бере участь у формуванні особистісних якостей, творчих процесів і потягів.

Потилично-тім'яна область бере участь в інтерпретації вступників соматосенсорних, смакових і зорових сигналів. Хворий з ураженням потиличної-тім'яної області не може дізнатися предмет, виходячи з соматосенсорной і зорової інформації про нього. Так, він може усвідомлювати, що якийсь об'єкт помаранчевий, круглий і має кисло-солодкий смак, але не здатний зрозуміти, що це апельсин.

Поразки стику тім'яної, потиличної та скроневих часток супроводжуються словесною сліпотою (Олексій). Такі хворі дізнаються букви, складові будь-яке слово, але не здатні пояснити його значення.

У хворих з ураженням задніх областей скроневої частки спостерігається словесна глухота. Вони легко розуміють значення написаної фрази, але, якщо цю фразу вимовити вголос, вони не в змозі пояснити її значення. Вважають, що великі області скроневої частки беруть участь в довготривалій пам'яті. Подразнення цих часток супроводжуються виникненням складних картин з минулого. Спогади ці бувають дуже яскравими.

У лобових долях розташовані головні центри мовлення та письма. При ураженні задньо-бокових відділів асоціативних областей лобової кори втрачаються всі мовні навички - хворий не може висловити свої думки ні в усній, ні в письмовій формі.

Самий передній відділ лобової частки бере участь у формуванні особистісних якостей, творчих процесів і потягів. При ураженні цієї області наступають глибокі зміни особистості, інтересів і здатності до концентрації уваги. Такі люди втрачають соціальні "гальма", інтерес до роботи і власної зовнішності і стають некомунікабельними.

Багато вищі функції асоціативних областей кори виконуються будь-яким одним півкулею, так що по відношенню до різних сторін вищої нервової діяльності між півкулями існує асиметрія. Провідне півкуля (зазвичай ліве) відповідає за інтерпретацію та формування усного та писемного мовлення. Інше півкуля бере участь у просторових побудовах і визначенні часових взаємин, а також містить центри музичного та художньої творчості.

Одна з найважливіших функцій нервової системи полягає в її здатності накопичувати й зберігати минулий досвід. Пам'яттю називаються думки або елементи минулого досвіду, відкладені в нервовій системі у формі, доступній для видобування.

В даний час існують дві теорії формування довгострокової пам'яті - гіпотеза зміни міжнейронних зв'язків та гіпотеза утворення специфічних макромолекул (нуклеїнових кислот і білків). Ці теорії не є взаємовиключними.

У запечатлении та вилученні слідів пам'яті беруть участь тисячі нейронів кори головного мозку, лімбічної системи, таламуса і інших нервових центрів. Ці сліди розподілені дифузно, але в зберіганні та вилученні пам'яті особливу роль відіграють два відділи кори - гіпокамп і скронева частка неокортекса. Більшість нейрофізіологів вважають, що пам'ять обумовлена діяльністю великої кількості нейронів, локалізованих дифузно в корі головного мозку, а також у таких підкіркових утвореннях, як лімбічна система, таламус і гіпоталамус.

Гіпоталамус - головний центр регуляції вегетативних функцій. У ньому розташовані центри регуляції температури тіла, споживання їжі, водного балансу, статевого і емоційної поведінки.

Лімбічна система, яка містить вищі центри інтеграції діяльності внутрішніх органів, утворена декількома взаємопов'язаними корковими і підкірковими відділами кінцевого мозку. Між цією системою і гіпоталамусом є тісні анатомічні та функціональні зв'язки. Лімбічна система відповідає за мотивацію і вироблення складних поведінкових актів, успішне виконання яких вимагає координації вегетативних і соматичних рефлексів.

При нанесенні електричних подразнень на різні області лімбічної системи виникають найрізноманітніші складні поведінкові акти, пов'язані з харчовим і статевим поведінкою, нападом і втечею; спостерігаються також супроводжують ці акти емоції задоволення, люті, відрази і страху.

Емоції

Емоції (від лат. Вражаю, хвилюю) - суб'єктивні реакції тварин і людини на вплив внутрішніх і зовнішніх подразників, які проявляються у вигляді задоволення або незадоволення, радості, страху і т.д.

Емоції пов'язані з задоволенням (позитивні) або незадоволенням (негативні емоції) різних потреб організму.

Емоції являють собою активні стану спеціалізованих мозкових структур, що спонукають людину і тварин мінімізувати або максимізувати ці стани.

Емоціям належить вирішальна роль у процесі навчання, у підкріпленні знову утворюються умовних рефлексів.

Сильні, стрімко виникають емоції - афекти, що тривало зберігаються - настрої.

Диференційовані і стійкі емоції, що виникають на основі вищих соціальних потреб людини, зазвичай називають почуттями (інтелектуальними, естетичними, моральними).

Ситуації, в яких задоволення важливих для людини потреб хронічно утруднено, породжує стійке негативне напруга-емоційний стрес.

"Стрес" - це сучасне слово, яке широко використовується і часто неправильно. Тисячі посібників з практичної психології обіцяють навчити, як уникнути стресу або впоратися з ним. Але, згідно Гансу Селье, найбільшому авторитету в цій галузі, стрес - це "неспецифічна відповідь організму на будь-яку пред'явлену йому вимогу". Стрес становить важливу частину повсякденного життя. Вимоги і зміни, які породжують стрес, відкривають можливість для адаптації до нових умов життя. Потенційно небезпечним і для тварин, і для людини може бути занадто тривалий стрес або комбінація стресогенних факторів ("стресорів"), що ускладнюють або роблять неможливим пристосування до вимог ситуації.

Відомо безліч ситуацій, що породжують стрес, - від випадків відділення дитини від матері в перші роки життя до серйозних захворювань у людей зрілого віку. У наш час одне з найбільш травмуючих подій для дорослого - це втрата роботи. Було показано, що стресовий стан у працівника викликається не стільки доконаним фактом втрати місця, скільки попереднім періодом страху його втратити.

Сельє (1974) показав, яким чином стрес пов'язаний з поступовим виснаженням резервів організму, який намагається пристосуватися до нових умов (загальний синдром адаптації).

Перший етап - реакція тривоги перед зустріччю з новою ситуацією пов'язана зі станом підвищеної настороженості і занепокоєння. Якщо ця ситуація затягується, то створюється враження, що організм повернувся до нормального стану. Це фаза опору, під час якої організм продовжує витрачати наявні резерви, які, однак, не безмежні, і незабаром починають вичерпуватися. Це фаза виснаження, що призводить іноді до смерті, але частіше - до нервових зривів.

Пізніше Сельє (1978) висловив думку, що не всякий стрес шкідливий. Стрес - невід'ємна частина життя, і його не можна уникнути. Важливо, на думку Сельє, те, що кожен з нас здатний підтримувати оптимальний для себе рівень стресу, що дозволяє діяти найбільш ефективно.

Якщо деякі люди насилу можуть долати ситуації, що позбавляють їх звичайного спокою і виходять зі звичного мирного оточення, то інші шукають дій і більшого життєвого простору, де можуть повністю реалізувати свої можливості, навчаючись долати пов'язані з цим небезпеки.

Найбільш важливі з мозкових структур, що мають відношення до емоцій, в сукупності називають лімбічної системою. Її частини і функції, мабуть, в основі своїй подібні у всіх ссавців.

Лімбічна система знаходиться вище стовбура головного мозку, але нижче кори. У неї входять: деякі ядра передній області таламуса, гіпоталамус, мигдалина (середній мозок), гіпокамп і ін

Нервові сигнали з усіх органів чуття, а також вихідні від кори, проходять через одну або кілька лимбических структур.

У нижчих тварин значного розвитку досягає тільки стовбур мозку. Лімбічна система розвивається лише у вищих - у ссавців. Рептилії і амфібії нею не володіють. Емоційну поведінку у них виражено слабко. "Ваша домашня черепаха ніколи не покаже вам, що вона рада вас бачити, коли ви повертаєтеся з роботи, як це робить собака або кішка".

Людина - найбільш емоційне з усіх живих істот, він володіє надзвичайно диференційованими засобами зовнішнього вираження емоцій і широким розмаїттям внутрішніх переживань.

Наша емоційна життя таке різноманітне тому, що лімбічна система у нас пов'язана з корою великих півкуль і лобові області асоціативної кори розвинені надзвичайно. Завдяки цьому людина володіє великою здатністю до запам'ятовування та абстракції. Ось чому ми можемо відчувати сильний гнів при одній лише думці про несправедливість чи соромитися того, що наша поведінка не відповідає деяким культурним стандартам.

З розвитком лімбічної системи пов'язаний ще один важливий еволюційний фактор. Ссавці і птахи - єдині (за рідкісним винятком) тварини, що приділяють багато часу і уваги турботі про потомство. Відповідні форми поведінки, в яких проявляється те, що ми називаємо прихильністю, необхідні для виживання щодо безпомічних дитинчат. Такого роду поведінка і ті почуття, які ми з ним пов'язуємо, стають можливими в результаті розвитку лімбічної системи.

Природа агресії

Як показав Чарлз Дарвін ("Вираження емоцій у людини і тварин", 1872), деякі з емоційних виразів, властивих особі людини, дуже подібні з тими, які були властиві нашим тваринам предкам. Дарвін розглядав ці способи вираження емоцій як збережені залишки дій, пов'язаних з нападом і захистом. Ніко Тінберген називав їх "інтенціональність рухами" - фрагментами підготовки тварин до дії.

У міру розвитку соціальності у тварин цих виразні рухи, які раніше були провісником дійсного поведінки, набували самостійну роль. Вони-то і зробили можливим створення системи соціальної комунікації. Тварина могло тепер інформувати інших членів спільноти про свій внутрішній стан або про якісь зовнішні події. Ці корисні здібності дозволяли громадським видами все більше ускладнювати організацію групи.

Важливу роль в організації групи грають відносини домінування-підпорядкування, які супроводжуються постійним проявом агресивності. У сутичках з'ясовуються стосунки домінування-підпорядкування, що відбивається в турнірній таблиці. Час від часу сутички виникають для перевірки, хто сильніший і призводять до зміни структури групи, положення особин у ній. Ієрархія дозволяє уникнути боротьби всіх з усіма. Кожен знає своє місце. Ієрархія забезпечує можливість спільних дій.

Досягнення етології в розумінні природи агресивності треба знати всім. І справа не тільки в тому, що людина дуже агресивна істота, а в тому, що агресивність підпорядковується своїм законам, не знаючи яких, можна наламати багато дров. Ці закони впливають не тільки на поведінку кожної людини, включаючи політиків і військових, але і на поведінку суспільства і держави.

Побутове поняття агресії - напад, причому, несправедливе, невиправдане. В етології агресивність означає злість, злість, ненависть. І термін цей ніяк не забарвлений (морально, за К. Лоренцу).

Тварина веде себе по відношенню до тварини іншого виду агресивно тому, що воно його чимось дратує: або загрожує йому самому, його території, гнізда, дитинчатам, або виглядає незнайоме або підозріло.

Внутрішньовидова агресія виявляється в тому, що особини одного виду неминуче вступають у конфлікт із-за їжі, зручного місця, через самки і пр. Поява або наближення іншої особини з неясними намірами викликає настороженість. Потім слід або втеча, або напад. Вступаючи в конфлікт, обидва відчувають страх, і разом з ним - напад агресивності.

Агресія завжди супроводжується приступом страху, а страх може перерости в агресію.

Агресія накопичується при відсутності зовнішніх подразників, а поріг запуску агресивної поведінки знижується, і агресія може вирватися назовні без жодного приводу (досліди К. Лоренца з ціхлідамі).

Відомі спалахи агресії усередині маленьких замкнутих груп людей. У звичайному житті наша агресивність розряджається через масу незначних конфліктів. Ми можемо навчитися сяк-так керувати своєю агресивністю, але повністю усунути її не можемо.

Важливо пам'ятати, що захищаючи агресивну особистість від подразників, ми не знижуємо її агресивність, а тільки накопичуємо. Вона все одно прорветься, причому відразу великою дозою. Невтішно, зате правда.

Накопичена агресивність може бути переадресована на який-небудь заміщає об'єкт. Багато птахів клюють землю або листя, копитні буцає кущі. Ми вдаряємо кулаком по столу, що-небудь розриваємо на частини, б'ємо посуд.

Часто агресія переадресується на об'єкти, які не можуть дати здачі: розгніваний господар може штовхнути свою собаку, який отримав на роботі наганяй чоловік - вилаяти свою дружину, дитина - вдарити кошеня.

Переадресування агресії на слабшого і нічим не провинився грає важливу роль у підтримці ієрархії.

У своїй початковій формі агресія передбачає напад, спричинення шкоди і навіть вбивство об'єкта.

В еволюції тварин спостерігається перехід від негайного нападу до демонстрації, заміна фізичного протиборства психічним протистоянням. Це рятівна для добре озброєних видів.

К. Лоренц стверджував, що добре оформлене агресивна поведінка-одне з найбільш чудових створінь природного відбору. Вилаяти одне одного, пригрозити - вигідніше, ніж битися, особливо, якщо обидва озброєні.

Оформлення агресії: поза загрози, оскал пащі і демонстрація зубів (чи не тому ми так уважно дивимося в рот при спілкуванні з незнайомою людиною?), Міміка і прикраси, яскраве розфарбування шкіри обличчя у деяких мавп і у вождів різних племен, шипіння і крик ( Ура!), суперечка (мова - страшніше пістолета).

Етології відкрили у тварин великий набір інстинктивних заборон, необхідних і корисних у спілкуванні. К. Лоренц більше 50 років тому вирішив написати фразу "мораль у світі тварин".

Кодекс моралі у тварин:

1) Не убий свого.

2) Не нападай без попередження, прагни залагодити конфлікт без бійки.

3) Не застосовуй смертельної зброї. (Бережи вуха і очі супротивника).

4) Не бий того, хто прийняв позу покірності (Не бий лежачого. Повинну голову меч не січе.)

Як програв зупинити розпаленого переможця? Вовк, лев, олень - раптом підставляють найбільш вразливі місця, зручні для нанесення смертельного удару. Але переможець не може його нанести і порушити заборону (поза і заклик ми, хлопці, "На, бий!", "Якщо тебе вдарили по одній щоці, підстав другу" ... щоб не вдарили ще). Темрява коментаторів не могли зрозуміти це місце в Біблії.

Ще: перемога з тим, хто має рацію. Виграє той, хто захищає свою територію, свій будинок, свою самку, своїх дитинчат. Агресивність більш сильного нападника стримується забороною (не побажай ні дому ближнього, ні дружини його).

Як кажуть юристи: недоторканність житла, особистої власності і життя.

Забавно спостерігати, як сваряться два птахи на межі своїх ділянок: по черзі програє той, хто залетить на ділянку іншої.

Багато морально-етичні норми поведінки людини, звані загальнолюдською мораллю, мають свої аналогії у вроджених заборонах у різних видів тварин. Можна вважати, що в деяких випадках це збіг. Але, принаймні, частина з них сходить до вроджених заборонам, що керувала поведінкою наших предків.

Етологія дає нам знання, які потрібні багатьом: вчителю і лікарю, психологу і соціологу, а без них важко вихователю, офіцеру, тюремникові, судді, адміністратора. Дуже хотілося б, щоб для користі всього людства ними володіли політики. Але найголовніше - вони потрібні кожному з нас, адже у всіх є або будуть діти, молодші брати, онуки. Природа наділила їх найдовшим серед живих істот дитинством, щоб вони могли, опановуючи своїми інстинктами і навчаючись, пройти за півтора десятка років величезний шлях. Вони здатні пройти його самі, помиляючись і страждаючи. Але шлях їх буде пряміше, а результат вище, якщо ми будемо любити і розуміти наших дітей такими, якими їх створила природа, а не такими, якими їх малює нашу уяву (Віктор Дольник, 1994, стор 73).

Природа насолод

Стратегія поведінки організмів визначається прагненням вижити. Під цим прагненням розуміється комплекс поведінкових реакцій, спрямованих на поліпшення умов середовища проживання, видобуток їжі, продовження роду, уникнення загрозливих ситуацій, дотримання деяких гігієнічних навичок і багато іншого (М. Мислободскій, "Задоволення - інструмент еволюції", Наука і життя).

Всі вони, а серед них є безліч занять не те що складних, а просто обтяжливих, з різних причин могли б залишитися невиконаними, якщо б не підкріплювалися відчуттям приємного. Вражаючий дар еволюції полягає в тому, що мозок фіксує в якості нагороди все те, що було виконано організмом як корисного.

Отже, задоволення - один з інструментів еволюції, елемент механізму виживання. Тому втрата відчуття приємного, відмова від задоволень, доставляються життям, бувають рівносильним відмови від самого життя, як це буває при деяких психічних захворюваннях, коли настає втрата того, що відомий японський письменник Рюноске Агутагава, що покінчив із собою, в передсмертному листі назвав "інстинктом життя , тваринної жагою ".

Прагнення людини пізнати самого себе неможливо без аналізу структури насолод. Це завдання зараз стає чи не діагностичної, продиктованою практичними потребами лікування. Втім за 20 століть до Різдва Христового заклики знаменитої "Пісні арфіста" - "множити ще більше свої насолоди, не давай своєму серцю засмучуватися ..." - мали виражений профілактичний підтекст.

Але так само, як і раніше, однією з найсерйозніших загадок сфінкса емоцій і сьогодні залишається: "Що є насолода?"

У європейській філософії це питання було поставлено, мабуть, не раніше IV століття до н.е., але науці про гедонізм (від грецького hedone - задоволення) не пощастило з самого початку, так як задоволення розглядалася частіше за все як антипод болю. Гедонія вважалася наслідком відсутності страждань.

Від Аристиппа до натуралістів XIX століття про насолоди сказано чимало. Але тільки сучасна нейрофізіологія отримала можливість шукати експериментальне рішення природи насолод. Виявилося, що вводячи в мозок електроди й дратуючи різні центри, можна керувати поведінкою тварини в досить широкому діапазоні, перетворюючи, наприклад, ласкавого, ледачого кота в агресивного звіра, а сите тварина спонукати шукати їжу. Це означало, що мозок має в своєму розпорядженні центрами, керуючими емоційними реакціями.

Досліди на щурах американських дослідників Олдса і Мілнер, в яких тварини самі натискали на педаль, викликаючи роздратування деяких ділянок свого мозку, не звертаючи при цьому уваги ні на смачну їжу, ні на осіб протилежної статі, ні на сигнали небезпеки, показали, що центри насолод дійсно існують. Варто було пересунути електроди часом на частки міліметра, як вони потрапляли в зони, роздратування яких викликало панічний жах і розцінювалося тваринами як покарання.

Деякі люди отримують задоволення у відмові від того, що більшість з нас вважають задоволенням, - це аскети. Інші знаходять задоволення у стражданні - це мазохісти. Такий відхід від звичних уявлень про "нагороди" заснований на індивідуальному досвіді - научении або запам'ятовуванні.

Біосоціальні основи поведінки

У книзі "Походження людини і статевий відбір" Дарвін пише: "Ми спостерігали, що розум і інтуїція, різноманітні почуття і здібності, такі, як любов, пам'ять, увагу, цікавість, наслідування, кмітливість і ін, якими пишається людина, можна виявити в зародковому, а іноді навіть і в добре розвиненому стані у нижчих тварин ".

Наша поведінка майже так само, як і наш вигляд, несе в собі багато рис, успадкованих як від близьких предків, так і більш далеких. Це ріднить нас з усіма, що живе на Землі. Без урахування цих зв'язків багато наші пристрасті дивні для оточуючих і непояснені нас самих.

Поведінка тварин виражається в Таксіс, рефлексах, інстинктах. Інстинкт - сукупність спадково обумовлених актів поведінки. Зазвичай інстинкт протиставляється розуму, навчання, як уроджена поведінка - придбаному.

Інстинкти часто розглядаються як синонім всього поганого. Їх рекомендується приховувати й придушувати. Їм протиставляються мораль і розум. Але в біології інстинкти - це вроджені програми поведінки. Тварини народжуються з цими програмами. У процесі еволюції відбувається зміна і вдосконалення цих програм.

Історія концепції інстинкту переплітається з концепцією довільної поведінки і нашої відповідальності за свої дії.

Платон і більшість давньогрецьких філософів розглядали поведінку людини як результат раціональних і довільних процесів, коли особи мають право у виборі будь-якого шляху дії, який диктує їх розум. Цей підхід названий раціоналізмом. Він існує і донині.

У XIII столітті Фома Аквінський писав: "Людина має почуттєвий бажання і раціональне бажання, чи волю. Його бажання і вчинки не визначаються тільки чуттєвими відчуттями, як у тварини. Він має здатність до самовизначення, завдяки чому має можливість діяти або не діяти ... Воля детермінована тим, що розум вважає корисним, - раціональної метою. Це тим не менш не примус: примус існує там, де організм неминуче детермінований зовнішньої причиною. Людина вільна, оскільки він раціональний, оскільки він не втягується в дію зовнішньою причиною без його згоди і оскільки він може вибирати засоби досягнення корисного ефекту, або цілі, яку поставив його розум ".

Фома Аквінський вважав, що поведінка тварини суворо детерміновано чуттєвими бажаннями, хоча він, мабуть, і допускав, що тварина здатна до деякої елементарної розумової діяльності.

Рене Декарт у роботі "Пристрасті душі" (1649) писав, що тварини-це механічні автомати, тоді як поведінка людини знаходиться під двояким впливом: механічного тіла і раціонального розуму.

Подання про інстинкт як первинному двигуні поведінки було використано такими психологами, як Фрейд (1915) і Мак-Дугалл (1908).

Фрейд уявляв собі поведінку як результат взаємодії двох основних енергій: сили життя, що лежить в основі людської активності, спрямованої на самозбереження і продовження життя, і сили смерті, визначальною агресивні та руйнівні дії людини. Фрейд розглядав ці сили життя і смерті як інстинкти, енергія яких потребує зовнішнього вираження чи розрядки.

Згідно Мак-Дугалл, інстинкти - це ірраціональні і непереборні початку поведінки, які направляють організм до досягнення його цілей. Він виділяв кілька інстинктів і супроводжуючі їх емоції: втеча і страх, отверганіе і відраза, цікавість і подив, войовничість і гнів.

Дарвін розглядав інстинкти як складні рефлекси, сформовані з окремих поведінкових актів, які є продуктами природного відбору. Ідеї Дарвіна послужили основою для уявлень класичної етології, які були сформульовані Лоренцом і Тинбергену.

Дані, накопичені етологією і генетикою поведінки, привели до відмови від протиставлення інстинкту й розуму і до створення сучасної концепції генетично обумовленого поведінки. Ми тепер краще розуміємо, що всі типи поведінки є результат генетичних і середовищних взаємодій.

Інстинктивне поведінка сформовано на основі комплексів фіксованих дій, які запускаються специфічними сигнальними подразниками (знаковими стимулами).

Комплекси фіксованих дій (КФД) є об'єктом дослідження етології.

КФД є стереотипними, жорсткими, передбачуваними і високоорганізованими послідовностями актів, які проявляються у всіх представників даного виду, викликаються простими, але високоспецифічним стимулами. Приклади КФД: разеваніе дзьоба у пташенят, викидання мови у жаби і лов комахи, демонстрації при догляді і агресії у птахів.

Важлива роль у формуванні поведінки, в повноцінному фізичному і психічному розвитку належить іграм. Ігри - це тренування, перевірка виконання програм поведінки: як підходити до своїх, як діяти з статевим партнером, об'єктами полювання, як тікати від хижака, як битися, як перемагати і як поступатися, як рити, будувати, ховати.

Позбавлені ігор дитинчата тварин виростають агресивними, боязкими. Їм важко утворювати пари, жити у світі в зграї; погано доводиться і їх дитинчат.

Більшість ігор - варіації на три головні теми:

1) "Хижак-жертва" - один тікає, інший шукає, доганяє, ловить;

2) "Шлюбні партнери" - ритуали знайомства, залицяння, спарювання;

3) "Батьки-діти" - годування, захист, зігрівання, чистка.

При цьому обов'язкова зміна ролей.

Ігри наших дітей: догонялки, хованки, в тат і мам, догляд за ляльками, боротьба, ігри у війну - все це теми, спільні з поведінкою тварин.

Безліч інстинктів успадкував від своїх тварин предків людина. Багато хто з них не зникнуть ніколи, тому що вони потрібні, як і раніше служать, складаючи фундамент нової розумової діяльності.

У дитини можна спостерігати сотні інстинктивних дій: смоктання молока (дуже рідко цей інстинкт буває порушений, і тоді дитину навчити смоктати неможливо); притискає теплий пухнастий предмет, хапає палець, і дитину можна піднімати - не відпустить; реакція на обличчя матері; лов ногами брязкальця ; усмішка для своїх, на чужих хмуриться, кричить, махає; проба всіх предметів на смак; підбирання всяких предметів із землі; чіпляння за хвіст-спідницю матері, відношення до власності-забирає в інших і не віддає своє (і це не жадібність).

Діти люблять гойдалки - це спадщина брахіації у приматів. Діти бояться темряви - наші предки були денними тваринами, ніч для них була повна небезпек. Діти лякаються маски леопарда - два жовтих палаючих кухоль з чорними зіницями: це був один з найнебезпечніших хижаків.

Страшні образи в мультфільмах, казках, в іграх - це ігрове впізнавання хижаків і інших небезпек, перевірка вроджених реакцій на них. Якщо ці образи ми їм не даємо, вони їх самі придумують.

Статева поведінка людини

Статева поведінка людини великою мірою визначається вродженими програмами. Але якщо б ми повністю підпорядковувалися вродженим програмами, наше статеве поведінка була б диким, примітивним, грубим, егоїстичним (так іноді поводяться деякі люди).

У цьому наборі вроджених програм полягає інформація про те, що потрібно зробити, щоб залишити потомство. Ці програми перевіряються в ігровому поведінці: телята, цуценята і кошенята "їздять один на одного", міняючись ролями. У наших дітей команда перевірки програми спарювання спрацьовує у віці 4-6 років (ігри в тат і мам). Дітей цьому не вчать, вони ці ігри придумують самі. У XX столітті дитячі психологи визнали сексуальні ігри маленьких дітей нормальним явищем, але пояснити їх до ладу не можуть, тому що читають З. Фрейда, а не К. Лоренца.

Б. Спок читав обох учених і радить припиняти таку поведінку дітей, не роблячи скандалу і не видаючи таємниці.

Особливості стратегії розмноження людини включають значні витрати на кожного з дуже невеликого числа народжених нащадків. Діти народжуються по одному, іноді по два, з інтервалом близько двох років. Статева зрілість настає пізно, і жінка може народити лише кілька разів за все життя. Для того, щоб така стратегія розмноження була успішною, всі народжені діти повинні бути оточені великою турботою батьків.

Матері важко одній ростити народжену дитину. В основному це результат безпорадності, властивої людській немовляті, у порівнянні з іншими приматами. Мати шимпанзе, наприклад, виховує дитинчат протягом декількох років, при цьому зберігає свободу і обходиться без всякої допомоги. Шимпанзе полігамні, і самці не беруть участі в турботі про потомство. Дитинча тримається за шерсть матері, тому вона може харчуватися і триматися нарівні з іншими членами групи. Жінка ж повинна тримати дитину на руках, так як він не може триматися сам. Навіть навчившись ходити, дитина не може бути нарівні з іншими членами групи.

Головна причина безпорадності людського немовляти - недорозвиненість його мозку. Мозок людини в чотири рази більше, ніж можна було б очікувати для примату такої ж величини.

Відразу після народження мозок забезпечує лише частину функцій. Дитині потрібно часу в два рази більше, ніж дитинчаті горили або шимпанзе, щоб досягти такої стадії розвитку, коли він може триматися на ногах. У новонародженого хапальний рефлекс розвинений добре, але він скоро зникає. Дитинча мавпи може висіти на матері, вчепившись за її шерсть руками і ногами, а людське немовля не зміг би цього зробити, навіть будучи досить сильним, так як ноги за будовою не годяться для хапання і на матері занадто мало волосся.

У цих умовах можна очікувати, що жінка зробить всі запобіжні заходи, вибираючи статевого партнера, і буде намагатися забезпечити дитині доброго батька. Проте молода жінка не завжди може висловити свою думку при виборі для неї чоловіка. У багатьох випадках шлюб влаштовується батьками нареченої або вибір дуже обмежений через нестачу чоловіків відповідного соціального становища.

У тварин під час залицяння відбувається інверсія домінування: на час залицяння самець демонстративно підпорядковується самці. Чоловік під дією цієї програми стає на коліна, терпить ритуальні побої, виконує будь-які доручення, клянеться все життя носити на руках, дістати зірки з неба, на першу вимогу стрибнути з мосту й т.п. Жінка, пропонуючи йому зробити подібні подвиги, інтуїтивно перевіряє, чи відбулася всередині нього інверсія в самому справі, або він тільки прикидається.

Самки багатьох видів перевіряють, як добре самець буде забезпечувати їжею її і потомство. За спецпрограмі самка починає вдавати з себе дитинчати. Від самця потрібно у відповідь зобразити годування. Один з варіантів ритуального годування - торкання ротами. Поганки пірнають за рибкою або приносять у дзьобі траву з дна. Альтаночницеві птиці підносять яскравих комах, квіти, різні незвичайні предмети.

Жінки також домагаються подарунків, люблять, щоб їх пригощали. І поцілунок - одна з форм ритуального годування.

Одночасно поцілунок знаменує для інстинктивних програм: взаємна боязнь розсіялася, вибір зроблено, настав час іти далі. Тепер пара стає стійкою: її склеює домінанта закоханості.

Домінанта закоханості перетворює сприйняття: перебільшує достоїнства обранця і приховує його недоліки. Тепер він - краще за всіх, він - єдиний. Про закоханого кажуть: "Осліп він, чи що?"

Закоханість - одне з самих яскравих і сильних станів, які долають людиною. Першу закоханість запам'ятовують на все життя.

Природа відміряла всім тваринам і людині на стан закоханості обмежений час - стільки, скільки потрібно для успіху розмноження.

Що далі? У моногамних видів в кінці залицяння самка приймає спроби злучитися з нею, запліднюється, і пара переходить до наступних етапів сімейного життя.

"А далі вони одружилися, жили щасливо і померли в один день". Так і живуть лелеки.

Статева поведінка людини різноманітне, не дуже передбачувано і утворює всі переходи від узаконених суспільством до злочинних і патологічних.

Мораль, закон і релігія завжди прагнули укласти статеву поведінку людини в певні рамки, але повного успіху ніколи добитися не могли. Людям завжди здавалося, що в цій області попрацював якийсь диявол, але етологи кажуть, що за первородний гріх є інший відповідач - біологічне спадщину.

У багатьох приматів самець злучається з декількома самками, причому найчастіше інтерес до самки після спарювання пропадає. Подібне властиво і чоловікам.

У шимпанзе і горил самці взагалі не доглядають за самками, вони просто спаровуються з ними за потребою, а самки не можуть чинити опір. Людина також успадкував здатність злучатися без любові. Чоловік здатні гвалтувати жінок.

Традиційне суспільство може статевий зв'язок без любові вимагати від своїх членів: батьки по своїй волі одружили незнайомих молодих людей, примовляючи "стерпиться - злюбиться".

Груповий шлюб відомий у багатьох тварин, у тому числі в деяких приматів.

Верветкі здатні злучатися задовго до овуляції, а також після запліднення, під час вагітності. Така властивість називається гіперсексуальністю. Самці верветок не дуже домінують над самками і тому не можуть злучатися з ними на свій розсуд. Вони повинні попередньо перевернути домінування і почати ділитися з самкою їжею. Тільки з таким самцем самка буде спаровуватися. Це - заохочувальну спарювання. Цим прийомом самка верветкі змушує самця годувати її і до вагітності, і під час неї. Більш того, вона прагне "пов'язати" заохочувальним спарюванням якомога більше самців у групі, адже кожен з них приносить їй подачки і кожен приймає її дитинчат за своїх.

Групова форма шлюбу у людини тривала дуже довго, і природний відбір за цей час дуже сильно змінив фізіологію жінки. Він зробив її здатною до парування завжди, і цим вона зовсім не схожа на самок людиноподібних.

До парному шлюбу людина почала переходити зовсім недавно, з розвитком землеробства. Для цієї форми шлюбу генетичні програми не встигли утворитися, тому шлюб нестійкий, потребує підтримки з боку моралі, законів, релігії.

Віктор Дольник: "Ми такі, якими нас створив відбір. Такими ми один одному не завжди подобаємося. Боротьба розуму з інстинктами в цій області вічна. Кожне покоління забезпечувало входять у життя молодих людей набором обмежень і рад, знайдених в цій боротьбі наосліп. Етологія, розкриваючи зміст інстинктивних програм, відкриває нові можливості: розуміти себе та інших на основі наукових знань ".

Походження людини

Ламарк (1809) припускав, що людина розвинулася протягом часу з мавпи.

Рішення проблеми належить Дарвіну ("Походження людини і статевий відбір", 1871).

Зібрані Дарвіном матеріали з анатомії, фізіології і ембріології людини і тварин, свідчили про їх кровну спорідненість і вимагали визнання поступового розвитку людини від тварини предка. Дарвін не робив винятку і для психічних особливостей людини, які, на його думку, є результатом подальшого розвитку властивостей, наявних у тварин. Цю думку Дарвін детально аргументував з роботі "Про вираження емоцій у людини і тварин" (1972). Разом з тим, Дарвін підкреслював, що сучасні мавпи не є прямими предками людини.

У 1856 році в Німеччині в долині Неандерталь біля Дюссельдорфа знайшли явно людські кістки і череп. Рудольф Вірхов (1821-1902) вважав, що це скелет старого, який переніс рахіт в юності і подагру до кінця життя, а Поль Брока (1824-1880) стверджував, що у сучасної людини, незалежно від того, хворий він чи здоровий, не може бути такого черепа, як знайдений, і що неандерталець представляє собою примітивну форму людини.

У 1894 році Ежен Дюбуа (1858-1940) описав знайденого ним на острові Ява мавполюдини прямоходячої - пітекантропа.

Тейяр де Шардену (1881-1955) належить заслуга опису синантропа в 20-30 роки XX століття.

У XX столітті були виявлені перехідні копалини форми між тваринами і людиною - австралопітеки. І таким чином, палеонтологія підтвердила положення Дарвіна про походження людини від вищих тварин. Нині цей факт визнає навіть Папа Римський.

Етапи антропогенезу

Загін приматів, до якого К. Лінней відніс людину, виник на самому початку третинного періоду. Вирішальний вплив на формування приматів надав деревний спосіб життя. До ранніх форм приматів близькі сучасні напівмавпи - лемури, долгопяти, тупайї. Однією з найбільш примітивних викопних форм антропоїдів є парапітек (40 млн років), величиною з кішку. Подальший розвиток антропоморфних мавп (пропліопітек - 30 млн років, дріопітеки - 27-12 млн років) виразилося в 1) збільшення розмірів тіла, 2) розвитку головного мозку; 3) ускладненні поведінки, вищої нервової діяльності; 4) материнського інстинкту; 5) появі та розвитку будівельної діяльності.

Дріопітеки мали великі розміри, масивні щелепи, потужні ікла. Вони є предкової групою для сучасних великих мавп-орангутанів, горил, шимпанзе. Деякі з дріопітеків, особливо проконсул, близькі до безпосередніх предків людини, якими є австралопітеки.

Вперше залишки австралопітеків були виявлені в 1924 р. в Південній Африці та описані Дартом, який дав їм назву "австралопітек африканський". Вони були прямоходящими наземними істотами, досягали ваги 30-40 кг, зростання 120-150 см. Маса головного мозку - 530-550 р. Час існування: з'явилися близько 5-7 млн років, вимерли близько 750 тис. років тому.

У 1959 році англійський антрополог Л. Лики в північній частині Танганьїки виявив форму, майже не відрізняються від австралопітеків, але з більшим головним мозком (650 р.), яка, як було встановлено, виготовляла галькові знаряддя праці (різці, долота, диски) . Ця форма отримала назву Homo habilis, або Людина уміла. Час появи її -2600 тисяч років. Галькова, або олдувайская культура цієї істоти розглядається як найбільш рання щабель епохи палеоліту, а значить, як початкова фаза становлення людського суспільства.

Етапи антропогенезу:

1) Архантропи, до яких відносяться пітекантропи, синантропи та ін близькі їм форми. Час їх існування - 1,6 млн. років - 200 тисяч років тому. Обсяг головного мозку 775 - 1215 куб. див. Відрізняються розвиненою гарматної діяльністю, використовували вогонь. Полювали на великих тварин (буйволів, носорогів, оленів). Жили в печерах. Зовні були схожі на сучасну людину, але відрізнялися потужним розвитком надбровного валика, відсутністю виступу підборіддя, низьким і похилим чолом.

2) палеоантропи, до яких відносяться неандертальці, жили в період від 300 тисяч років до 40 тисяч років тому. Обсяг головного мозку досягав 1500-1600 р. Неандертальці були близькі до людини сучасного, але відрізнялися від нього низьким скошеним лобом, суцільним надочноямковим валиком, слабким розвитком виступу підборіддя. Зростання 155-165 см. Антропологи розглядають неандертальця як підвид Людини розумного.

3) неоантропи, кроманьйонець, або людина сучасна, власне

Homo sapiens. Час появи 50-40 тис. років тому. Зовні практично від сучасних людей не відрізнявся.

Біологічні передумови та чинники антропогенезу

Деревний спосіб життя. Розвиток приматів відбувалося одночасно з формуванням сучасних лісових угруповань, особливо екваторіальних і тропічних вічнозелених багатоярусних лісів. Ймовірно, жоден інший спосіб життя - водний, наземний, повітряний - не міг би призвести до виникнення розумної істоти, подібного людині.

Збільшення розмірів тіла сприяло кращої захищеності від хижаків (найбільш яскраві приклади - вимерлі гігантопітеки і сучасні горили). Стереоскопічний зір і хапальні кінцівки - неодмінні умови ефективного переміщення великих тварин у тривимірному просторі.

Збільшення розмірів тіла вело до зниження плодючості, що вимагало посилення турботи про потомство, розвитку материнського інстинкту для забезпечення сталого відтворення вигляду при малій плодючості.

Предки приматів - комахоїдні ссавці є м'ясоїдними. Для приматів ж характерна всеїдність. Широкий спектр кормів і різноманітність способів його видобутку сприяє розвитку вищої нервової діяльності.

Складається груповий спосіб життя, який забезпечує кращу захищеність від хижаків.

Деревно-наземний спосіб життя.

Збільшення розмірів тіла призвело до того, що наші предки на стадії дріопітеків перейшли до деревно-наземного способу життя (приблизно такий спосіб життя ведуть шимпанзе). Це сприяє розширенню кормової бази, але пов'язане зі збільшенням ступеня небезпеки (наземна середу сповнена великих і небезпечних хижаків), особливо, у нічний час. Нічний відпочинок великих приматів (наприклад, шимпанзе) відбувається на деревах, що вимагає будівництва гнізд. Лише найбільші з антропоїдів - горили - проводять весь час на землі: їх надійно захищають великі розміри ті ла і величезна фізична сила.

Перехід до наземного способу життя.

Найважливішою подією в еволюції наших предків є повний перехід до наземного проживання в умовах відкритих ландшафтів - саван. Ймовірно, цей перехід був обумовлений розширенням площ під рідколіссями і саванами, а також сильною конкуренцією з боку більш дрібних і краще пристосованих до деревного способу життя приматів.

Можна виділити наступні головні моменти в оволодінні наземної середовища проживання.

1) Формування прямоходіння, що було зумовлено використанням руки для постійного носіння та застосування деяких предметів в якості зброї чи знарядь, а потім переходом до виготовлення штучних знарядь і зброї.

2) Посилення стадності і розвиток соціальної поведінки і соціальної організації.

3) Перехід від збиральництва до полювання, особливістю якої є колективний характер і застосування спеціально виготовленої зброї.

Ці три моменти стали найважливішими умовами успіху в боротьбі за існування і факторами становлення людини як розумного, соціально організованого істоти, що володіє промовою. У той же час, ці три моменти обумовили перехід від біологічної еволюції до психо-соціального розвитку, що супроводжувалося зняттям провідної ролі природного відбору в розвитку людини як біологічного виду.

Таким чином, еволюція людини визначалася природним відбором на пристосованість до навколишнього середовища (абіотичної та біотичної), а також відбором, напрямок якого визначалося соціальними чинниками: мисленням, мовою, громадським способом життя. Соціальні фактори зумовили розвиток здатності до навчання, яке лежить в основі епігенетичного розвитку, засноване на успадкування набутого досвіду, культури. Так відбувався перехід від біологічної еволюції до людської історії.

Незважаючи на це, біологічні закономірності продовжують грати в житті людини та розвитку людства таку важливу роль, що природа людини багатьма вченими визначається як біосоціальна.

Проблеми цефалізаціі

Збільшення об'єму головного мозку (Цефалізація) - найбільш характерна риса біологічної еволюції людини у перехідний період від тварини предка до кроманьйонця. Народження крупноголових дітей вимагає широкого жіночого тазу. Але, з іншого боку, прямоходіння пред'являє протилежне вимога - таз повинен бути вузьким і більш міцним. Це протиріччя призвело до того, що пологи у людини стали супроводжуватися родовими муками, що для тварин не характерно. Таким чином, описана в Біблії сцена прокляття Єви ("У муках будеш народжувати дітей своїх") має під собою еволюційно-біологічне обгрунтування.

Природа, однак, зробила деякі спроби вирішити цю проблему:

1) діти стали народжуватися недоношеними за біологічними мірками (у порівнянні з шимпанзе, наприклад);

2) голівка немовляти здатна до значних деформацій, швидкого збільшення розмірів у післяпологовий період, у зв'язку з чим заростання джерельця і остаточне формування черепних швів відкладено на більш пізній період.

Зазначені обставини призвели до подовження періоду дитинства, протягом якого дитина є безпомічною і потребує постійної турботи батьків. У цей період відбувається остаточне формування найважливіших структур головного мозку. При чому на цей процес істотно впливає зовнішнє середовище, в тому числі соціальне оточення. У цьому суть виключно високої пластичності індивідуального розвитку мозку людини. У цьому полягають біологічні основи здібності людини до засвоєння величезних обсягів інформації в процесі навчання, що з'явилося найважливішою передумовою соціального прогресу.

Біосоціальна природа людини

1) Як будь-який живий організм людина має потребу в джерелах енергії і речовини (принцип негентропії). Для людини таким джерелом є рослинна і тваринна їжа.

2) Кожен тваринний організм характеризується поведінкою, спрямованим на збереження свого життя (принцип самозбереження). Проблема особистої безпеки важлива і для людини.

3) Кожна жива істота в процесі розмноження залишає подібне собі потомство (принцип відтворення). Інстинкт розмноження закладений і в кожному нормальному людському єстві.

Якщо який-небудь біологічний вид не може вирішити хоча б одну із зазначених проблем, він зникає з лиця Землі.

На реалізацію біологічного в людині накладає відбиток (перетворює) його людська сутність (природа). Відзначимо три складові цієї сутності: прагнення до насолоди - принцип Епікура (гедонізм), прагнення до краси - принцип Достоєвського (естетизм) і духовність - принцип Ісуса Христа (?).

Естетизм пройшов тривалий шлях розвитку від наскельних малюнків кроманьйонців до формули Достоєвського "Краса врятує світ".

Гедонізм виріс з відчуття задоволення, що розвинувся у вищих тварин і знайшов своє вираження у принципі Епікура "Насолоджуйтесь!". Арістіпп: Насолода, задоволення - вища мета і основний мотив людської поведінки.

Як виразити принцип духовності? Може бути словами Ісуса Христа: "Не хлібом єдиним живе людина"?

Яким чином ці принципи впливають на прояв біологічного в людині?

1) Приготування і споживання їжі виражається в мистецтві кулінарії і сервіровки. Людина насолоджується смачною і гарно оформленої їжею.

2) Проблема самозбереження вирішується будівництвом житла, обставлений необхідними меблями і по можливості "з усіма зручностями", виготовленням і носінням одягу, зброї (там, де це необхідно). Все це робиться красиво і забезпечує людині не тільки особисту безпеку, але також і певний рівень комфорту.

3) Відтворення проявляється в нормальній сексуальності (статевий потяг), яка знаходить своє вище вираження в любові, і веде до створення сім'ї, що забезпечує виховання дітей.

"Все це так. Але уникне чи грішний

Небесних воріт, що ведуть у пекло? "

Шекспір

У гонитві за задоволеннями, в прагненні до насолод людина не знає меж. У результаті:

1) Процес харчування переростає в черевоугодництво, в обжерливість, в прагнення поглинати якомога більше, як можна більш смачною і вишуканої їжі, що для деяких стає сенсом життя, самоціллю і виявляється біологічно недоцільним.

2) Самозбереження перетворюється в прагнення до розкоші у всьому: будівництві палаців і їх обстановці, носінні сверхмодная одягу і прочая, і прочая. Вещизм також часто вражає людей і стає сенсом їхнього життя.

3) Процес відтворення замінюється прагненням спокусити якомога більше жінок, або чоловіків (синдром Дон-Жуана). При цьому часто любителі сексуальних насолод втрачають здатність виробляти потомство, що також виявляється біологічно недоцільним.

"Жити - добре!

А добре жити - ще краще! "

(З кінофільму "Кавказька полонянка")

Що значить "Добре жити"?

Стаття 29. Кожна людина має обов'язки перед суспільством, у якому тільки й можливий вільний і повний розвиток її особистості.

Екологія і здоров'я. Біополітики

Фізичне та психічне самопочуття людини, його настрій, ділова активність у вирішальній мірі залежать від стану його здоров'я, яке в даний час виявляється під загрозою у зв'язку з антропогенним зміною середовища проживання.

В даний час в навколишнє середовище потрапляє все більше речовин антропогенного походження, які є не просто забруднюючими, але і сильно токсичними, канцерогенними, алергенними і мутагенними. Тому для виживання людства потрібно терміновий перегляд пріоритетів розвитку. Екологія не повинна підлаштовуватися під потреби економіки та політики, а навпаки, необхідний екоцентрична підхід. Багатство і благополуччя країни повинні оцінюватися не кількістю вироблених матеріальних благ, як це прийнято зараз, а рівнем здоров'я населення.

Найважливішими для здоров'я людини є якість повітря, кількість і якість питної води та продуктів харчування, а також радіаційний фон, рівень шуму та електромагнітних коливань, що не перевищують допустимі значення.

Важливе значення для збереження і відновлення здоров'я мають рекреаційні ресурси: мінеральні води і бруду, гірський і морське повітря, лісові масиви з хвойними породами дерев та ін Наявних в даний час упорядкованих курортів недостатньо, вони перевантажені, забруднені і значною мірою втратили свої рекреаційні властивості .

Діяльність щодо раціонального використання та охорони навколишнього середовища контролюється, регулюється і направляється державою через систему природоохоронного законодавства. Тільки тоді, коли екологічні закони та вимоги, усвідомлені наукою, знаходять відповідне юридичне оформлення у вигляді законів, декретів, указів, постанов, обов'язкових для виконання, вони отримують реальні шанси на втілення в життя. Тому постійне вдосконалення природоохоронного законодавства відповідно до розвиток науки і техніки має найважливіше значення.

Право людини на сприятливе навколишнє середовище і достовірну інформацію про її стан, а також обов'язок кожного зберігати природу і дбайливо ставитися до її ресурсів закріплені в Конституції Російської Федерації.

В кінці XX ст. стало ясно, що вирішити проблеми збереження навколишнього середовища тільки на рівні окремої країни неможливо. Причина полягає в тому, що біосфера Землі являє собою цілісну, інтегровану систему. Тому мало вдосконалювати власне законодавство, необхідно всіляко сприяти розвитку міжнародного законодавства, що регулює спільні зусилля всіх країн у справі охорони природи.

Необхідно екологічне виховання населення з дитячих років, без чого не можна сподіватися на реалізацію навіть самих чудових і науково обгрунтованих програм збереження бісофери. Коли більшість населення зрозуміє, що екологічні злочини - це злочини, а не перепрошувальним проступок, тільки тоді можна буде сподіватися на благополучний вихід з екологічної кризи. Здійснення дієвих екологічних програм вимагає таких значних коштів і обмежень, що уряду навряд чи вирішуватися на них, поки народ не усвідомлює їх життєву необхідність.

Література

Авдюшін С.І., Данілов О.Д. Сонячна активність та події на Землі: вигадка й реальність. Природа, 1993, 3
Анісімов В.М. Ціна продовженій життя: погляд онколога / Природа, 1990, 10
Анісімов В.М. Сонячний годинник старіння / Природа, 1995, 10
Бердишев Г.Д., Загарія А.М. Дерматогліфіка і довголіття / Природа, 1990,12
Введенський В.Л., Єжов А.А. Ритми мозку і самовідтворення інформації ції / Природа, 1990, 4
Геліобіологія: від Чижевського до наших днів. Природа, 1994, 9
Григор'ян Н.А. Н. К. Кольцов і експериментальна генетика вищої нервової діяльності / Природа, 1992, 6

Лопухін Ю.М. Біоетика / Природа, 1991, 10
Нємцов А.В. Споживання алкоголю як глобальна проблема / Природа, 1990, 1
Плюснін Ю.М. Яких друзів ми собі вибираємо. Соціобіологія дружби. Природа, 1993, 9
Савельєв С.В. Парадокс форми мозку / Природа. 1992. 3
Савельєв С.В. Монстри. Природа, 1993, 10
Савельєв С.В. Природа індивідуальності мозку людини / Природа, 1995,9
Титов С.А. Системний і молекулярний підходи до проблем пам'яті / Природа, 1990, 6

Тема 2.3. Біосфера і цивілізація

Популяції, спільноти, екосистеми. Принципи їх організації. Форми біотичних відносин у спільнотах. Популяція - структурна одиниця виду. Вона являє собою сукупність особин одного виду, які населяють певне місцепроживання з однорідними умовами (ставок, озеро, річку, луг, ліс, болото тощо), в межах якого відбувається вільне схрещування (панміксія) особин (у разі статевого розмноження з перехресним заплідненням) . Популяція - це сукупність спільно проживають і постійно контактують (взаємодіючих) особин одного виду.

Структура популяції включає: статеві (самці і самки), вікові, генетичні, територіальні (сім'ї, стада, колонії) і ін групи особин. Взаємовідносини особин в популяції виражаються у статевій поведінці, турботі про потомство, територіальному поведінці, в активній і пасивній конкуренції, співробітництво і взаємодопомогу (кооперації).

Найважливішими властивостями популяції є: чисельність, щільність, народжуваність і смертність, приріст і темп зростання.

Чисельність популяції є величиною змінною, яка залежить від багатьох факторів. Чисельність популяції в сприятливих умов здатна до необмеженого росту, який описується експоненційної кривої. Зазвичай це явище називається геометричною прогресією розмноження. У результаті чисельність популяції може досягти будь-яких значень, але зазвичай це не спостерігається, так як максимально можлива чисельність популяції обмежується екологічної ємності території, і як правило, не досягає цього рівня під впливом регулюючих факторів.

До факторів, що регулює чисельність популяції, відносяться: конкуренція, голод, канібалізм, стрес, хвороби, хижаки, які знижують чисельність, якщо вона перевищує оптимальне значення. Збільшення чисельності популяції призводить до посилення дії цих факторів, у результаті чого знижується народжуваність, підвищується смертність і чисельність знижується.

Спільнота - система спільно живуть автотрофних і гетеротрофних організмів, об'єднаних загальним місцем життя і пов'язаних певною сукупністю біотичних відносин. Біотичні відносини виражаються у трофічних (харчових) зв'язках, хижацтві і паразитизмі, міжвидової конкуренції і кооперації, Антибиоз і симбіозі.

Зазвичай співтовариство розуміється як синонім біоценозу. Біоценоз складається з популяцій багатьох видів, які можна підрозділити на три основні групи: продуцентів (зелені рослини, водорості, хемосинтезирующие і фотосинтезуючі бактерії), консументів (тварини рослиноїдні і хижаки, паразити) і редуцентів (гриби і більшість бактерій).

Продуценти виробляють органічну речовину з неорганічної, використовуючи сонячну енергію, чи енергію, що виділяється в результаті окисно-відновних реакцій. Консументи є споживачами органічної речовини, яке служить для них джерелом енергії та будівельного матеріалу. Проте термін "споживачі" неповно характеризує роль тварин в співтоваристві. Тварини є регуляторами чисельності рослин, сприяють їх поширенню, розсіюючи насіння, деякі групи тварин (комах, птахів, ссавців) - важливі запилювачі квіткових рослин. У цілому тварини відіграють важливу роль у кругообігу речовин в екосистемах.

Редуценти розкладають органічну речовину (рослинний опад, трупи тварин та їх екскременти) на мінеральні компоненти: воду, вуглекислий газ, мінеральні солі, які знову використовуються рослинами. Звідси зрозуміло, що без редуцентов існування спільноти було б неможливим.

Кругообіг речовини і енергії

Наявність всіх трьох груп для нормального функціонування спільноти обов'язково. Їх спільна життєдіяльність забезпечує стійкий біотичний кругообіг речовин і перетворення енергії, яку зелені рослини отримують від Сонця. Використовуючи енергію Сонця, зелені рослини в процесі фотосинтезу виробляють вуглеводи з вуглекислого газу і атомів водню, відбирає у молекул води. Побічним продуктом фотосинтезу є вільний кисень, що виділяється рослинами в навколишнє середовище. І рослини, і тварини в процесі дихання окислюють вуглеводи до води і вуглекислого газу, використовуючи вільний кисень, що міститься в повітрі або воді. У результаті вони синтезують АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти), в якій запасається енергія, використовувана живими істотами в процесі життєдіяльності.

Поза цього круговороту не може існувати жоден вид, у тому числі осіб.

Спільноти розрізняються за кількістю і різноманітністю складових їх видів. Від цього залежить складність структури спільноти та ступінь його стійкості (здатність до саморегуляції). Збіднення видового складу співтовариства під впливом діяльності людини призводить до зниження його стійкості, що може призвести до руйнування спільноти та заміну його іншим, як правило, з більш простою структурою.

Біосфера

Біосфера - геологічна оболонка, населена живими організмами. Її можна розглядати як глобальну екологічну систему, що складається з усіх біогеоценозів Землі.

Отже, біосфера, як будь-яка екологічна система, - відкрита саморегулююча система, функціонування якої обумовлюється припливом космічної, головним чином, сонячної, енергії.

Біосфера в зовнішній частині створює газову оболонку, стикається зі Всесвітом, а усередині планети - оболонки осадових порід. Рідке і тверде паливо, яке ми видобуваємо з надр Землі, кременисті, залізисті, марганцеві та інші породи утворилися завдяки диханню, харчуванню, життя і смерті жили колись організмів. Вони "законсервували" сонячні промені, "запасли" для нас корисні копалини.

Внаслідок життєдіяльності організмів відбувається безперервний глобальний кругообіг речовин і трансформація енергії в біосфері.

Рослини за допомогою сонячної енергії створюють органічні речовини.

Гриби розкладають мертву органіку і готують речовини для повторного використання їх організмами.

Тварини розселяють рослини, регулюють їх чисельність, переміщають жива речовина проти напрямку стоку.

Багатоклітинні тварини - це транспорт біосфери, її регулюючий і оздоровче пристрій. Серед них немає нікого зайвого чи незначного: біосфера - тонко збалансована система.

У неживій природі кожна замкнута система сама по собі приходить в рівноважний стан: річки течуть до моря, камені скочуються з гір, вирівнюються внаслідок дифузії концентрації речовин ...

Живі організми підтримують біосферу в нерівноважному стані. Вони виконують роботу проти сили тяжіння, переносять речовини проти напрямку стоку і проти градієнта концентрації. Тільки живі організми здатні вловлювати розсіяну в навколишньому просторі енергію електромагнітного поля і консервувати її у вигляді внутрішньої енергії речовин самих організмів.

Еволюція біосфери

Структура біосфери, характер і інтенсивність біотичного кругообігу змінювалися в ході еволюції. Враховуючи принципову важливість кругообігу, В. І. Вернадський стверджував, що на Землі з самого початку могло існувати лише певна спільнота розрізняються функціонально організмів.

Тільки спільнота, що складається з функціонально різноманітних організмів, може здійснювати циклічні процеси, необхідні для того, щоб залишатися стабільним у біогеохімічному сенсі.

Виживання спільноти можливе лише в тому випадку, якщо його діяльність протягом досить тривалого часу не призводить до порушення зовнішніх умов. Інакше це веде до сукцесії, послідовної зміни стадій у розвитку. Щось подібне спостерігається в історії біосфери, яку можна зіставити з термодинамічно орієнтованої сукцесій.

Збалансований цикл може існувати лише в трофически організованому співтоваристві, яке створюється кооперативної діяльністю різнорідних організмів і підпорядковується, як в цілому, так і в частинах, термодинамічної необхідності.

Кооперативний мікробне співтовариство було первісним і забезпечило стійкість біосфери. Рослинний і тваринний світ прилаштувалися в систему, створену мікроорганізмами.

Саморозвиток відбувалося всередині трофічної піраміди з появою все нових можливостей. У вже сформовані системи включалися нові.

Таким чином, кооперація лежить в основі трофічної піраміди спільнот, а конкуренція є механізмом тонкого регулювання в системі (Заварзін Г. А. Анти-Ринок в природі. Природа, 1995, 3).

В якості первинних продуцентів на Землі виступали одноклітинні прокаріоти, які здійснювали фотосинтез і хемосинтез. Протягом приблизно 2 млрд. років прокаріоти змінили склад атмосфери - знизився вміст вуглекислого газу і зросло кисню та азоту.

З цього моменту в складі біосфери виникають еукаріоти - водорості, гриби і найпростіші тварини, спочатку одноклітинні і колоніальні, а потім і багатоклітинні вищі рослини і тварини.

Ресурси біосфери

Природні ресурси - компоненти навколишнього людини природно середовища, які використовують для задоволення матеріальних і культурних потреб суспільства. Рослинні і тваринні ресурси, грунт, прісна вода, чисте повітря відносяться до відновлюваних ресурсів. Їх возобновляемость обумовлена діяльністю біосфери і, отже, обсяг або інтенсивність їх використання залежить від швидкості їх відновлення, що залежить від стану біосфери. Ресурси біосфери є обмеженими.

Межі стійкості біосфери

Використання ресурсів біосфери призводить до порушення її структури і зміни процесів, в ній протікають. Оскільки біосфера здатна до саморегуляції, вона до певних меж зберігає стійкість. Вихід за ці межі призводить до незворотних змін, які в деяких випадках можуть бути бажані для людини, але здебільшого небезпечні. Особливо небезпечні незворотні зміни глобального характеру, які можуть призвести до екологічної катастрофи. У цьому випадку існування людства може виявитися неможливим, або воно може протікати у вкрай несприятливих умовах.

Біопродуктивність біосфери

Продуктивність біосфери являє собою біомасу, вироблену різними екосистемами, складовими біосферу.

Продуктивність суші в сухому органічній речовині становить: -171,54 млрд. т / рік, морів і океанів - 60 млрд. т / рік.

На материках більшу частину продукції дають лісу, в океанах - зони апвелінгу (підйому глибинних вод) та материкові мілини холодних морів.

Харчування людей в основному забезпечується сільськогосподарськими культурами, вирощуваними лише на 10 відсотках площі суші. На цій площі вирощується 8,7 млрд. т органічної речовини, що містить близько 3,5 х1016 ккал, з них на харчування витрачається 2,29 х 1015 ккал.

Пасовища забезпечують кормом близько 3 млрд. голів худоби, і річна продуктивність оцінюється в 0,29 х 1015 ккал.

За даними 1963 р. (Дювін і Танг, 1973), реальні запаси продовольства досягали 2,6 х 1015 ккал; на Землі нараховувалося 3,11 млрд. людей, потреба яких у харчуванні становила 2,7 х1015 ккал, що перевищує продуктивність біосфери.

Ресурси біосфери і демографічні проблеми

Зростання населення істотно впливає на зростання забруднення природного середовища і виснаження природних ресурсів. З 1650 року чисельність населення Землі зростає за експоненціальним законом (1650 р. - 545 млн., 1840 р. - 1 млрд., 1930 р. - 2 млрд., 1962 р. - 3 млрд., 1971 р. - 4 млрд. , 1987 р. - 5 млрд.)

На 1994 рік на Землі проживало 5,5 млрд. чоловік. До 2000 року очікується 6 млрд., з них 56% - в Азії, 25% - в Африці, 11% - у Латинській Америці, 8% - в Європі і 3% - у Північній Америці. У результаті очікується посилення екологічних протиріч в країнах Азії, Африки і Південної Америки. Але це не означає, що Європа буде вільна від екологічних проблем. У більшості європейських країн або вже спостерігається перенаселеність, або вони близькі до цього стану.

У вересні 1994 р. в Єгипті відбулася міжнародна конференція з проблеми перенаселеності планети. Конференція показала, що східні релігії і католицтво як і раніше виступають проти регулювання чисельності населення.

Більшість релігій - якщо не все - дають початкову установку на багатодітність. Ця традиція йде у доісторичні часи, коли висока плодючість була покликана компенсувати високу смертність.

Найбільш "спокійно" до проблеми регулювання відноситься буддизм з його проповіддю зречення від земних спокус і заохоченням безшлюбності; в той же час його засудження протизаплідних засобів побічно сприяє високій народжуваності.

Індуїзм заохочує високу плодючість, але особливо старається в цьому іслам, офіційно дозволяє полігінія. У християнстві висока плодючість була більшою мірою властива католикам, в меншій - протестантам. В даний час серед християнських народів демографіч фічне поведінка визначається іншими чинниками.

В історії відомі випадки, коли демографічна політика була засобом боротьби різних релігійних або етнічних спільнот за своє самовизначення. Наприклад, в 16 столітті в Нідерландах протестантів було більше, ніж католиків. У 19 і особливо в 20 столітті серед католиків велася кампанія за високу народжуваність, і перед другою світовою війною вони стали найбільшою релігійною громадою.

Чи можна стабілізувати чисельність населення? (Алаєв, Природа, 1991, 4).

Єдина радикальний захід стабілізації чисельності - скорочення народжуваності - входить в суперечність не тільки з більшістю релігій і традицій; вторгнення в інтимне життя часто розглядається як обмеження прав особи. Інший делікатний аспект проблеми полягає в тому, що на всякого, хто виступає за скорочення народжуваності, навішується ярлик неомальтузіанці.

Ж. Дорст (1965): Демографічний вибух ХХ століття за своїм розмахом і наслідками порівняти з великими геологічними катастрофами, які потрясали поверхню планети в минулому. Збільшення чисельності населення, що супроводжується зростанням промисловості - основний чинник деградації біосфери.

Згідно з останніми даними, число жителів Землі, допустима для екосфери - 10 млрд. Існує точка зору, згідно з якою ми перебуваємо у фазі логістичного зростання, і чисельність стабілізується на рівні 7,5 млрд.

Антропогенні впливи на біосферу

1) Руйнування рослинного покриву - будівництво, пасовища, рілля, паливо, папір, сировина для хімічної промисловості, пожежі.

2) Деградація грунтів - ерозія, засолення. 3) Зниження біологічного різноманіття - вимирання видів. 4) Забруднення - теплове, акустичне (шум), хімічне, радіаційне, електромагнітне.

5) Зміна біогеохімічних циклів - мінеральні добрива (зміна кругообігу азоту, фосфору, калію), пестициди і гербіциди, викопне паливо (зміна круговороту вуглецю, насичення атмосфери вуглекислим газом, викид сірчистого газу), кислотні дощі, руйнування озонового екрану, парниковий ефект.

6) Урбанізація, промислові об'єкти, дороги, аеродроми - зменшення площ під природними спільнотами.

7) Туризм - пряме і непряме знищення видів, фактор занепокоєння.

Екологічна криза та шляхи її подолання

Під екологічною кризою розуміється та стадія взаємодії між суспільством і природою, на якій до межі загострюються протиріччя між економікою та екологією, економічними інтересами суспільства в споживанні і використанні природного середовища та екологічними вимогами забезпечення охорони навколишнього природного середовища.

Екологічна криза поширюється на всі країни, що стали на шлях науково-технічного прогресу.

За своєю структурою екологічна криза підрозділяється на два компоненти: природний і соціальний.

Природний компонент виражається в деградації навколишнього природного середовища. Соціальний компонент - виражається в нездатності державних і громадських структур зупинити деградацію навколишнього середовища, стабілізувати ситуацію і оздоровити навколишнє природне середовище. Обидві сторони тісно пов'язані.

Криза державних і громадських структур проявляється: 1) у недостатньо ефективній роботі спеціальних органів, які практично втратили нитки управління охороною навколишнього природного середовища, 2) у нездатності правоохоронних органів забезпечити надійний контроль та нагляд за виконанням законів про охорону навколишнього середовища і 3) в масовому еколого -правовому нігілізмі, неповазі еколого-правових вимог, в порушення або невиконання їх.

Причини екологічної кризи в колишньому СРСР: 1) монополія держави у сферах експлуатації природних ресурсів, в контролю за охороною природи і в галузі права; 2) спрямованість політики держави на військове протистояння, створення гігантського військово-промислового комплексу, необмежені військові витрати, витрачання гігантських коштів на підтримку прокомуністичних режимів і пр.

Деградація природного середовища може бути зупинена в результаті екстрених заходів екологічного захисту.

П'ять напрямків виходу з екологічної кризи: 1) створення екологічно чистої технології, впровадження безвідходних або маловідходних виробництв, вдосконалення технологічних процесів - такою є магістральний напрямок;

2) розвиток і вдосконалення економічного механізму охорони навколишнього середовища (стимулювання, податки тощо), завдання - зробити охорону навколишнього середовища частиною виробничо-комерційної діяльності, щоб підприємець або господарник був зацікавлений в охороні навколишнього середовища;

3) адміністративно-правовий вплив з метою підвищення екологічної дисципліни;

4) екологічна просвіта - розвиток системи екологічної освіти, виховання, перебудова споживацького ставлення до природи, екологічна революція в мисленні людини;

5) міжнародно-правовий напрямок. Перешкоди на шляху виходу з екологічної кризи: слабкість економіки, її кризовий стан, відсутність економічних важелів впливу на охорону природного середовища;

низький рівень моральності в сфері прийняття рішень.

Принципи раціонального природокористування

Раціональне природокористування є система діяльності, покликана забезпечити економну експлуатацію природних ресурсів і умов і найбільш ефективний режим їх відтворення з урахуванням перспективних інтересів розвивається господарства та збереження здоров'я людей. Таке природокористування не призводить до різких змін природно-ресурсного потенціалу і не веде до глибоких змін у навколишньому людини природному середовищу, що завдає шкоди його здоров'ю або загрозливим самої його життя. Воно передбачає максимально повне вилучення з природного ресурсу всіх корисних продуктів з нанесенням найменшого шкоди галузям господарства, що базується на тому ж ресурсі, і станом природного середовища, необхідної для життя і підтримки здоров'я людини.

Охорона природи

Охорона природи - заходи щодо збереження глобальної системи життєзабезпечення че ловечества на умовно нескінченний термін.

1) сукупність міжнародних, державних, регіональних та місцевих адміністративно-господарських, технологічних, політичних, юридичних і громадських заходів, спрямованих на збереження, раціональне використання і відтворення природи Землі і найближчого до неї космічного простору в інтересах існуючих і майбутніх поколінь людей;

2) система заходів, спрямованих на підтримку взаємодії між діяльністю людини і навколишнім природним середовищем, що забезпечують збереження і відновлення природних ресурсів, що попереджають пряме і непряме результатів діяльності суспільства на природу і здоров'я людини.

Основними принципами охорони навколишнього природного середовища є: пріоритет охорони життя та здоров'я; науково обгрунтоване поєднання екологічних і економічних інтересів;

раціональне використання і відтворення природних ресурсів; законність і невідворотність настання відповідальності за екологічні правопорушення;

гласність у роботі екологічних організацій і тісний зв'язок їх з громадськими об'єднаннями і населенням у вирішенні природоохоронних завдань;

міжнародне співробітництво у сфері охорони навколишнього природного середовища.

Екологія людини

1) комплексна дисципліна, що досліджує загальні закони взаємини біосфери та її компонентів і антропосистема, вплив природного (а в ряді випадку і соціальної) середовища на людину і групи людей;

2) екологія людської особистості;

3) екологія людських популяцій, у тому числі вчення про етноси. Екологія людини включає як соціально-психологічні та етологічні стосунки людей між собою, так і ставлення людей до природи, тобто являє собою комплексну еколого-соціально-економічну галузь знання, де всі соціальні, економічні та природні умови розглядаються як однаково важливі складові середовища життя людини, що забезпечують різні боки його потреб.

Соціальна екологія

1) наукова дисципліна, яка розглядає взаємовідносини в системі "суспільство-природа": вивчає взаємодії та взаємозв'язку людського суспільства з природним середовищем і розробляє наукові основи раціонального природокористування, які припускають охорону природи т оптимізацію життєвого середовища людини.

Головне завдання соціальної екології - вивчення закономірностей взаємодії людського суспільства і його окремих територіальних груп з природою і проектування на цій основі нової природно-окультуреної середовища.

2) дослідження вчинків людей і впливу цих вчинків на інших людей через їх сприйняття та соціально-психологічну особистісну і колективну оцінку людських взаємин на тлі об'єктивних властивостей середовища життя і реактивності організму людини, наприклад, укладу життя в районі новобудов, реакцій їх жителів у порівнянні гігієнічних умов колишнього проживання з розглянутої новобудовою.

Фактори екологічного ризику і здоров'я людини. Фактор ризику - 1) будь-який вплив, що сприяє виникненню захворювання (наприклад, куріння по відношенню до раку легені), взагалі відхилення від стану здоров'я (мед.), 2) міра невідповідності між різними можливими результатами прийнятого рішення (за умови, що ймовірність сукупності результатів відома або може бути визначена).

Слід враховувати, що в природокористуванні фактично немає детермінованих завдань з єдиним результатом обраної стратегії і дуже велика кількість невизначених завдань, де результати обраної стратегії непередбачені (лише ймовірні).

При виборі стратегії з мінімумом фактора ризику слід прагнути до максимальної ймовірності отримання тих чи інших результатів і найвищого ступеня їх корисності. Ці відомості можна отримати з минулого досвіду, наукового експерименту, багатоваріантного моделювання або знання ходу процесу (наприклад, сукцесії).

Лише поєднання максимальної ймовірності корисного ефекту при впевненості у відсутності іншої, кращої стратегії досягнення тієї ж мети з експериментальним доказом оптимальності прийнятого рішення дає право нехтувати чинником ризику. У силу принципу невизначеності він неустраним повністю. Фактор ризику дуже високий у екологічному плануванні, екологічному обгрунтуванні проектів та екологічній експертизі.

Деградація навколишнього природного середовища, передусім, позначається на здоров'я людини та стан генофонду людства.

Більше 20% території Росії знаходиться в критичному екологічному стані, в районі зон екологічного лиха. Більше 70 млн. людей дихає повітрям, небезпечним для здоров'я. Скорочується народжуваність і збільшується смертність населення. Середня тривалість життя менше 70 років, що на 8-10 років менше, ніж в 44 розвинених капіталістичних країнах. Кожен 10-й дитина народжується генетично неповноцінним. У 45% призовників виявлені порушення психіки. Кожна четверта жінка не може народити здорову дитину за генетичними причинами. Кожен четвертий чоловік - імпотент.

Антропоцентризм, біоцентризм і вирішення соціальних проблем

"І сказав Бог: Створімо людину за образом Нашим (і) за подобою Нашою, і хай панують над морською рибою, і над птахами небесними, (і над звірами), і над худобою, і над усією землею ... І благословив їх Бог, і сказав їм Бог: плодіться і розмножуйтеся, і наповнюйте землю, і володійте нею ... "(Буття, I: 26, 28).

У рядках з Біблії - суть і обгрунтування антропоцентризму. Сутність биоцентризма полягає в наступному. Людина є частина Живий Природи, яка є умовою Його існування. Він - один з результатів її еволюції. Його подальший розвиток можливий лише за умови, що цей розвиток не загрожує існуванню Живий Природи, якій, таким чином, належить пріоритет.

Вирішення соціальних проблем має бути засноване на принципі гармонійного співіснування Соціуму і Біосфери, або інакше - здійснюватися на принципах коеволюції.

Шляхи розвитку економіки, яка не руйнує природу

Екологізація науково-технічного прогресу, повинна забезпечити можливість узгодженої еволюції природи і суспільства (принцип коеволюції).

Входження людства і його господарства у глобальні та регіональні біогеохімічні цикли з підтриманням балансу на всіх рівнях будови біосфери Землі.

Економне використання енергетичних ресурсів, зменшення витрат енергії на одиницю приросту продукції, отримання енергії тільки від "чистих" джерел, головним чином, сонячних, перехід до дрібних енергоустановка - сонячним домівках, малим ГЕС, транспортним засобам на сонячних батареях і ін

Зміна системи комунікацій, аудіо-і відеозв'язок замість особистих контактів, замість автомобіля і літака; способу накопичення і передачі інформації - мініатюрні носії замість книг і газет (випуск однієї великої газети щодня вимагає знищення близько 150 га лісу).

Ресурсоекономное виробництво, умовно замкнуті і каскадні технології, що зводять до мінімуму об'єм відходів.

Отримання сільськогосподарської продукції індустріальними методами, головним чином, в закритому грунті; заміна хімічних засобів боротьби з шкідниками біологічними методами. Реймерс Н.Ф. Екологія (теорії, закони, правила, принципи і гіпотези). М.: Росія молода, 1994 - 367 с.

Екологічне право

Розвиток екологічної функції держави і права призводить до формування нової правової спільності, яка отримує назву екологічного права.

Історично система правового регулювання взаємодії суспільства і природи підрозділяється на чотири етапи: цивільно-правової, земельний, земельно-ресурсний та екологічний.

Екологічне право має всі необхідні ознаками, які характеризують самостійні галузі системи права.

Предметом екологічного права є суспільні (екологічні) відносини в галузі взаємодії суспільства і природи.

Методи екологічного права - способи впливу на суспільні відносини: адміністративно-правовий (виходить з відносин влади і підпорядкування) і цивільно-правовий (заснований на економічних інструментах регулювання).

При адміністративному методі регулювання панують заборонні, попереджувальні, управомочивающие норми. Разом з тим, в нинішніх умовах все більшого значення починає набувати економічний спосіб впливу: вплив на охорону навколишнього середовища через матеріальний інтерес. Зміст цього методу вміщується в рамках цивільно-правового способу впливу.

Таким чином, на сучасному етапі правове регулювання з боку екологічного права являє собою сукупність способів, що поєднують економічні методи з адміністративно-правовими засобами. Таке поєднання реалізується через систему нормативів, через екологізацію господарсько-правового та суміжних галузей законодавства, встановлення політичних, економічних, юридичних гарантій виконання еколого-правових вимог. (Петров В. В. Екологічне право Росії. М., 1995).

Що ми можемо зробити для збереження життя на Землі

Людство - частина біосфери. Відступ від законів розвитку біосфери загрожує загибеллю людству. Щоб вижити, нам слід змінити спосіб життя, переоцінити свої потреби. Потрібно замінити стихійний процес розвитку суспільства розумної загальнопланетарних стратегією виживання, в основі якої лежить принцип коеволюції (спільного і зв'язаного розвитку) біосфери і цивілізації.

Розробка та реалізація стратегії виживання зажадають створення відповідної наукової програми, яка об'єднує зусилля природничих і гуманітарних наук. Зараз - головне, щоб люди усвідомили необхідність створення і здійснення такої програми.

Стратегія виживання повинна перерости в стратегію сталого розвитку. Ця стратегія буде стосуватися всіх сфер життя суспільства - технічного розвитку, культури, освіти, формування нової моральності. Вона вимагатиме зміни системи суспільних відносин з переглядом шкали цінностей. Буде потрібно створення також нової економічної науки, посилення ролі державного начала в управлінні ринковою економікою, перегляд механізму ціноутворення з урахуванням збитку, що наноситься наступним поколінням.

Основним елементом стратегії має стати принцип планування сім'ї. Якщо населення планети буде зростати, то ніякими заходами не вдасться уникнути екологічної катастрофи.

Стратегія буде грунтуватися на подальший розвиток науки і освіти, так як тільки по справжньому інтелектуально розвинене суспільство може вийти на режим коеволюції.

Процвітання людства можливе тільки в умовах процвітаючої біосфери. Людство повинно пристосовувати саму себе, свої потреби, свої суспільні інститути, соціальну організацію до вимог, які пред'являє нам розвивається біосфера.

Людина, біосфера і космічні цикли

Повторюваність у ході й розвитку природних процесів виявляється у ритмічності припливів і відливів, зміни дня і ночі, пір року, зледенінь і відступів льодовиків, коливань рівня Світового океану, гороутворення, розквіт і вимирання видів, та циклічності Сонячної активності і коливань врожаю пшениці, уловів оселедця , інтенсивності росту дерев, епідемій холери, чуми, грипу, смертності від інфарктів, нашестя гризунів, сарани, появи комет, падіння метеоритів, спалахів нових і найновіших зірок.

Архівні матеріали з точністю показали, що з 1735 по 1969 рік найбільшу кількість рисьіх шкур і улову атлантичного лосося повторюється через 9,6 року. Пік чисельності канадських сов, зайців, куниць спостерігається з такою ж періодичністю. Такі ж інтервали характерні для врожаю пшениці в США та серцевих захворювань в Новій Англії.

Виявилося, що протягом двохсот років у США коливання цін на бавовну утворюють регулярні цикли в 17,75 року.

Покажчик великих боїв свідчить про цикл в 11,2 року. Швейцарський астроном Р. Вольф знайшов точне значення періоду Сонячної активності - 11 і 1 / 9 року. Встановлено зв'язок цієї періодичності з циклічність погодних явищ: температури і тиску повітря, кількості опадів і рівнів річок і озер, динаміка циклонів, ураганів, смерчів, бур.

У більшості районів світу особливо жорстокі посухи повторюються з інтервалом близько 22 років. (При переході від одного 11-річного циклу до іншого полярність магнітного поля плям в обох півкулях Сонця змінюється на протилежну, у зв'язку з чим по зміні магнітного поля встановлюється 22-річний цикл.

Засновник геліобіології А. Л. Чижевський зазначав близько трьох десятків феноменів в органічному світі Землі, мінливість яких у часі тісно пов'язана зі змінами сонячної активності.

Можливою причиною сонячної циклів може бути вплив планет. Їх звернення впливає на поверхню Сонця приблизно так само, як тяжіння Місяця викликає припливи і відливи не тільки в океані, але й у твердій оболонці Землі.

У 1965 році американський астроном П. Джозе зазначив, що центр ваги Сонячної системи не збігається з центром Сонця. Отже, Сонце повинне обертатися навколо центру Сонячної системи з періодом 178,77 року. У результаті обертання планет центр ваги Сонячної системи безперервно зміщується, а Сонце невпинно прагне до нього. У результаті неузгоджених дій планет Сонце відчуває ривки, які повинні приводити до виникнення спалахів на Сонці і утворення плям. Прогнози, засновані на цій схемі, виявилися вражаюче точними.

Вже в глибокій старовині було відмічено, що час настання припливів пов'язано з положенням Місяця на небосхилі, а їх сила - з її фазами.

Місяці потрібен майже місяць, щоб зробити один оборот навколо Землі. І двічі за цей час Місяць, Земля і Сонце виявляються майже на одне прямій. Тоді приливні хвилі від Сонця і Місяця складаються і припливи бувають максимальними. А двічі на місяць, коли Сонце і Місяць розташовані по відношенню до Землі майже під прямим кутом, припливи мінімальні, так як сонячний приплив віднімається від місячного, як би частково його гасить.

Але Місяць і Земля обертаються не по кругових, а по еліптичних орбітах. Коли Місяць знаходиться в Землі ближче за все, в точці перигея, місячний приплив посилюється на 40 відсотків.

Нахил площині місячної орбіти по відношенню до площини орбіти Землі змінюється, і кожні 18,6 року ці площини співпадають, а приплив посилюється. При такому положенні сонячні і місячні затемнення трапляються набагато частіше. У Стародавньому Єгипті таємниця циклічності сонячних затемнень була розгадана і період 18,6 року був назва "Сарос". Це дозволило єгипетським жерцям передбачати наступ затемнень з великою точністю.

Через кожні 1800-1900 років Місяць, Земля і Сонце входять в смугу "свехсароса". У цей час не тільки совпадаюторбіти Місяця і Землі, але Місяць перебуває на своїй орбіті найближче до Землі, а Земля найближче до Сонця. І тоді настає епоха найбільш сильних припливів.

Таким чином, припливи дають приклад багатошарової ритмічності з півдобові, двох тижневим, 18,6-річним і з 1850-річним періодами. Але що цікаво, з такими ж періодами на Землі відбувається безліч інших повторюваних природних процесів.

З 1850-літнім періодом наступають і відступають гірські льодовики в зв'язку зі зміною зволоженості, квітучі оазиси перетворювалися в пустелі, а інші погребались льодовиками.

Показано, що набагато більш часто землетруси відбуваються в дні молодого місяця або повнолуння, коли Місяць, Земля і Сонце знаходяться на одній прямій.

Ритмічність змінюється: Протягом року Земля обертається нерівномірно - в серпні добу самі короткі, в березні - найдовші.

Тривалість року зростає, так швидкість обертання Землі навколо осі поступово сповільнюється внаслідок приливних ефектів.

Місяць рухається по злегка розкручування спіралі, все більше віддаляючись від Землі.

Чим все це закінчиться? Відповідь на це питання дав син Ч. Дарвіна-Д.Дарвін. Він розрахував, що "розкручування" Місяця Землею буде тривати до тих пір, поки період оберту Землі навколо осі не зрівняється з періодом обертання Місяця навколо Землі. Відбудеться це через багато мільйонів років і тоді добу на Землі будуть тривати 1320 годин (або 1200 годин - за уточненими розрахунками) - стільки ж, скільки і місячний місяць, а Місяць стане видно тільки одному півкулі Землі.

Сонце знаходиться недалеко від площини симетрії нашої Галактики і, рухаючись зі швидкістю 240 км / сек, робить один оборот навколо центру Галактики приблизно за 200 млн років. Цей період називається галактичним роком.

У ході галактичного року Сонце потрапляє в області з різною концентрацією зірок і, крім того, знаходиться то ближче, то далі від центру Галактики. Все це повинно сильно відбиватися на Ð