Тема 1. Природничонаукової і гуманітарної КУЛЬТУРА. НАУКОВИЙ МЕТОД
1. Природничонаукової і гуманітарної КУЛЬТУРИ
Культура - в широкому сенсі є сукупність створених людиною матеріальних і духовних цінностей, а також сама людська здатність ці цінності виробляти і використовувати. Відповідно розрізняють культуру матеріальну і духовну.
Одним з найважливіших компонентів духовної культури є наука.
На початку 20 століття склалося стійке уявлення про «2-ух культурах науки» - природничо (системі знань про природу) та гуманітарної (система знань про цінності буття людини і суспільства).
Вперше цю ідею висунули представники неокатетіанства (Віндельбанд, Ріккерт) і філософ життя - Дільтей. Така відмінність обумовлена специфікою об'єктів вивчення цих наук.
КРИТЕРІЇ ВІДМІННОСТІ:
- Об'єкт дослідження (природна наука - природа; гуманітарна наука - людина, суспільство);
- Метод дослідження (природна наука - «генерализирующий метод», тому що орієнтовано на загальне, універсальне, а індивідуальне не має для них значення; гуманітарна наука - «индивидуализирующий метод», тому що для них характерний інтерес до індивідуального, конкретному , унікальному);
- Провідна функція. Головна функція природничої науки - пояснення, тому що всі явища природи обумовлені і закономірні. Гуманітарна наука має справу з історичними подіями, людськими почуттями, цінностями і т.д., які підлягають розуміння.
- Гуманітарні науки ідеологізовані, тобто можуть відображати інтереси будь-яких соціальних груп, класів, націй.
- Природничі науки, що мають своїм об'єктом природу, ідеологічно нейтральні.
- Кількісні та якісні характеристики. Природничі науки роблять упор на об'єктивну кількісну характеристику об'єктів. У гуманітарних науках переважають якісні характеристики.
Але ці відмінності не скасовують взаємозв'язку цих наук, комплексні дослідження на основі взаємодії природних і гуманітарних наук активно проводяться сьогодні при дослідженні біосфери, глобальних проблем і т.д.
ОСОБЛИВОСТІ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ:
Наука - система знань і діяльність людей, спрямована на досягнення об'єктивних істинних знань про дійсність.
1. Наукове пізнання пропонує не тільки опис, але і пояснення фактів, виявлення всього комплексу причин, що породжують явище;
2. Наука орієнтована на отримання такого нового знання, істинність якого не просто стверджується, але і доводиться;
3. Наукове пізнання націлене на об'єктивність відкриваються істин (незалежність від свідомості людства), тобто на отримання таких знань, зміст яких не залежить не від людини, не від людства.
4. Усвідомлення методів, за допомогою яких досліджується об'єкт, контроль над самою процедурою отримання нового знання.
5. Наукове пізнання характеризується систематизованості, а також логічної виводимістю одних знань з інших.
6. Вироблення спеціальної мови науки: чітко фіксує сенс і значення понять.
2. ДИСЦИПЛІНАРНА ОРГАНІЗАЦІЯ НАУКИ
Сучасна наука - сукупність окремих наукових галузей, які за предметом своїх досліджень діляться на:
1.естесственние, вивчають природу, її закони, способи освоєння природи (хімія, фізика, біологія). Зайняті фундаментальними дослідженнями.
2. суспільні науки, вивчають суспільство і різні суспільні явища, закони їх розвитку самої людини, як соціальної істоти, різні спільності людей і т.д. Серед суспільних наук виділяють соціально-наукові дисципліни (економіка, етнографія, демографія тощо) і виділяють гуманітарні, предметом яких виступають групові цінності, ідеали, норми і правила мислення та поведінки (етика, правознавство, реліговееденіе, мистецтвознавство).
3.техніческіе науки вивчають закони створення та функціонування складних технічних систем і функції у виробничій та іншій діяльності людей (радіотехніка), як правило, є прикладними.
3. РІВНІ І МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ
У структурі наукового пізнання виділяють 2 методи: емпіричний і теоретичний. Вони відрізняються за методами дослідження та характером одержаного знання.
Емпіричний рівень:
Заснований на безпосередньому істотно-практичного взаємодії дослідника з досліджуваним об'єктом. На цьому рівні відбувається накопичення, фіксація, узагальнення фактичного матеріалу для побудови теорій.
Основними формами знання є: науковий факт і емпіричне узагальнення.
МЕТОДИ ПІЗНАННЯ:
Метод - спосіб досягнення якої-небудь мети, система правил і прийомів пізнавальної та практичної діяльності.
1. Спостереження, вимірювання, порівняння, експеримент.
Спостереження - цілеспрямоване і організоване відтворення предметів і явищ навколишнього світу. Воно здійснюється без якої-небудь зміни досліджуваних предметів і явищ і втручання спостерігача в нормальний процес їх перебігу.
Вимірювання - порівняння об'єктів дослідження з яким-небудь подібним властивостям і сторонам.
Експеримент - використовується, коли необхідна інформація про предмет. Це такий метод наукового дослідження, який передбачає активну цілеспрямоване і строгоконтроліруемое вплив дослідника на об'єкт, що вивчається з метою отримання інформації про його властивості і зв'язках.
ТЕОРЕТИЧНИЙ РІВЕНЬ:
Пов'язаний з предметами і явищами зовнішнього світу опосередковано через емпіричний рівень. На цьому рівні відбувається розкриття найбільш глибоких, суттєвих сторін, зв'язків, закономірностей, властивих досліджуваним об'єктам і явищам.
ФОРМИ ЗНАННЯ: гіпотези, теорії, закони.
МЕТОДИ: 1. Формалізація - метод дослідження, який полягає у використанні спеціальної символіки, що дозволяє відволіктися від вивчення реальних об'єктів і оперувати замість цього деяким безліччю символів (знаків).
2. Аксіоматичний метод - побудова теорій на основі аксіом - тверджень, які не потребують доведення їх істинності (наприклад, геометрія Евкліда)
3. Гіпотетико-дедуктивний метод - створення системи дедуктивно пов'язаних між собою гіпотез, з яких виводиться твердження про емпіричних фактах.
А також: системний, структурно-функціональний, математичного моделювання.
4. Загальнонаукові методи
Застосовуються на всіх рівнях наукового пізнання: аналіз - мислене розчленування об'єкта на складові елементи з метою їх всебічного вивчення; синтез - об'єднання окремих елементів у єдине ціле; абстрагування - відволікання від ряду несуттєвих для даного дослідження властивостей і відносин досліджуваного явища з одночасним виділенням цікавлять властивостей і відносин; моделювання - дослідження моделей, що заміщають оригінал з певних сторін, що цікавлять дослідника.; індукція - метод дослідження, при якому загальний висновок будується з приватних посилів; дедукція - метод дослідження, за допомогою якого з загальних посилок слід висновок приватного характеру.
Тема 2. ЛОГІКА І ЗАКОНОМІРНОСТІ РОЗВИТКУ НАУКИ. СУЧАСНА НАУКОВА КАРТИНА СВІТУ
1. ДИФЕРЕНЦІАЦІЯ, ІНТЕГРАЦІЯ І Математизація В СУЧАСНІЙ НАУЦІ
Диференціація - створення нових наукових галузей у результаті розчленування традиційних наук на нові (наприклад, з колись єдиної науки про живі організми виділилися екологія, цитологія, фізіологія, генетика). У свою чергу нова наука генетика постає в різних видах: еволюційна, молекулярна, популяційна.
Диференціація носить у цілому прогресивний характер, сприяючи більш ретельного і глибокого вивчення окремих явищ та процесів певній галузі діяльності, але цей процес має і негативний момент - надмірна диференціація затуляє від дослідника цілісний образ досліджуваного предмета, що характеризують його загальні закономірності. Це веде до роз'єднаності наукових знань. Цей недолік компенсується протилежною тенденцією - інтеграцією знань (20 ст.). Інтеграція характеризується:
1. Комплексом взаємодії наук, на основі вивчення єдиного об'єкта, створенням загальнонаукових теорій (квантова механіка, теорія електромагнетизму і т.д.).
2. Освітою міждисциплінарних наук, що знаходяться на стику декількох традиційних наук (біофізика, геохімія та ін.)
Останнім часом тенденція до інтеграції наук стає провідною.
Математизація - особлива роль математики в природознавстві, обумовлена тим, що вона є загальним універсальною мовою для різних природних наук, пронизує всі основні стадії сучасного природничо процесу пізнання, такі як
- Збір та обробка кількісної інформації;
- Можливість перевірки гіпотез, що лежать в основі законів;
- Побудова математичного апарату;
- Моделювання природних процесів і явищ.
В міру свого розвитку природознавства використовує все більш досконалий математичний арсенал вищої математики: диференціація та інтеграція обчислення, диференційовані рівняння, математичну статику.
2. НАУКОВА КАРТИНА СВІТУ. ПРИНЦИПИ І ОСОБЛИВОСТІ ЇЇ РОЗВИТКУ
Природничо-наукова картина світу - частина загальної наукової картини світу, що включає систему уявлень про природу, що складаються в результаті синтезу досягнень природничих наук. Вона містить уявлення про живу і неживу природу. У структурі природничо-наукової картини світу виділяють також спеціальні наукові картини світу окремих наук, що представляють систему знань про фрагмент матеріального світу, який вивчається в даній науці її методами - фізична, астрономічна, біологічна картини світу.
ОСОБЛИВОСТІ СУЧАСНОЇ природничонаукової картини світу:
1. Системність. Означає, по-перше, що Всесвіт розглядається як найважливіша з всіх систем, що складається з безлічі елементів, підсистем різного рівня, складності, по-друге, ієрархічність - включення систем нижніх рівнів у системи більш високих рівнів.
2. Глобальний (універсальний) еволюціонізм - поширення принципу еволюції на всі сфери дійсності: від елементарних часток до космічних систем. Ця концепція дозволяє розглядати неорганічну природу, світ живого (органічну природу) і людського соціуму як єдиний еволюційний процес.
3. Самоорганізація (синергетика пронизує всі сфери знання) - здатність матерії до самоусложненію і створення все більш упорядкованих структур у ході еволюції.
Синергетика (теорія самоорганізації) з'явилася в 70-і роки 20 ст. Засновники - Хакен, І. Пригожин. Головна ідея - це ідея про принципову можливість спонтанного виникнення порядку та організації з безладдя та хаосу в результаті процесу самоорганізації. Предметом синергетики є складні системи, що самоорганізуються.
ВЛАСТИВОСТІ самоорганізуються:
1. Відкритість. Більшість відомих систем є відкритими, тобто вони обмінюються енергією, речовиною, інформацією з навколишнім середовищем, в ході якого відбувається пристосування всіх елементів системи до мінливих умов її існування.
2. Нерівноважності. Такі системи є нерівновагими, тобто вони знаходяться в стані далекому від термодинамічної рівноваги. У нерівноважних системах замість очікуваного хаосу і безладу спостерігаються ефекти впорядкованості та самоорганізації. Під самоорганізацією при цьому розуміється спонтанний перехід відкритої нерівноважної системи до більш впорядкованим формам організації (наприклад, наочним прикладом є механізм дії лазера).
Виникнення порядку відбувається через флуктуації, тобто випадкових відхилень системи від деякого середнього стану.
Флуктуації розхитують колишню структуру і призводять до нової. Цей перехід характеризують як виникнення порядку з хаосу. Іноді ці флуктуації можуть посилюватися, і тоді існуюча організація не витримує і руйнується. У такі переломні моменти (точки біфуркації) подальша еволюція системи непередбачувана. Можливе лише імовірнісний прогноз кількох альтернативних варіантів подальшого перебігу подій. Ключову роль відіграє випадковість. Через дії випадковості неможливо передбачити подальший розвиток.
Процес виникнення. Біфуркація робить еволюцію нерівноважну систему стрибкоподібної і нелінійної, а звідси випливає, що стрижнем якісних змін, що відбулися в сучасних уявленнях про природу та світі в цілому, є визнання нестійкості і нестабільності в якості фундаментальних характеристик світогляду.
Згідно сучасним уявленням синергетики світ побудований на очікуванні безперервних криз (точок біфуркації), моментів, коли доводиться приймати, то чи інше рішення.
3. НАУКОВІ РЕВОЛЮЦІЇ
Наукові картини світу змінюються одна за одною.
Наукова революція - радикальна зміна наукової картини світу - це процес переходу від одного способу пізнання до іншого, відображає більш глибинні зв'язки і відносини природи. Таких радикальних змін наукових картин світу, тобто наукових революцій в історії науки можна виділити три:
1.Арістотелевская; 6-5 ст. До н.е.
У 6-5 ст. До н.е. була здійснена перша революція в пізнанні світу, в результаті якої і з'явилася на світ сама наука. Історичний сенс цієї революції полягає в отличении науки від інших форм пізнання світу, у створенні певних норм і зразків побудови наукового знання. У цей період створюються математичні моделі, формуються цінні ідеї ряду майбутніх наук (фізики, біології та ін.) Першу універсальну систему світу створив Арістотель. У ній були об'єднані систематизовані і логічно розвинені всі накопичені знання про природу. Арістотель вперше спробував дати класифікацію наук, створив космологічне вчення, в основі якого геоцентрична модель світу - земля має форму кулі і є центром Всесвіту. Це вчення Аристотеля згодом обгрунтоване Птолемеєм зайняло панівне становище в космології до 16 ст. Весь подальший розвиток науки як в античності так і в середні століття в Європі здійснювалося в рамках вчення Арістотеля.
2.Ньютоновская. Означає виникнення нового природознавства, пов'язаного з іменами Коперніка, Кеплера, Ньютона.
1) Розроблено геліоцентрична картина світу Коперника - Земля не є центром Всесвіту. Вона обертається навколо своєї осі і разом з іншими планетами - навколо Сонця.
2) 16 - 17 ст. - Період переважного розвитку механіки. Виникає нова тенденція - зведення всіх знань про природу до фундаментальних принципів і уявленням механіки. Формується механістична картина світу, становлення якої пов'язане з ім'ям Галілея. Він першим звів механіку на рівень теоретичної науки. Ввів в механіку точний кількісний експеримент і математичний опис явищ.
Ньютон створив систему класичної механіки, що визначила особа природознавства аж до20 ст.
ВІН сформулював три основних закони динаміки, які лягли в основу механіки як науки і закон всесвітнього тяжіння. Створив (одночасно з Лейбніцем) принцип диференціації та інтеграції числень, який став математичної базою всього сучасного природознавства.
Підсумком ньютонівської революції з'явилася механістична картина світу на базі експериментально-математичного природознавства.
3.Ейнштейновская. Кінець 19-го - початок 20-го століття.
На початку 20 століття на зміну класичній механіці прийшла нова фундаментальна теорія. Вона була наслідком низки наукових відкриттів конца19-го - початку 20-го століття.
- Відкриття електрона Томпсоном;
- Рентгенівські промені;
- Явище радіоактивності (Беккерель);
- Експериментальне виявлення електромагнітних хвиль (Герц);
- Створення Періодичної системи хімічних елементів Менделєєва.
З'являються принципово нові фундаментальні теорії:
1. Теорія відносності - нова теорія простору, часу й тяжіння.
2. Квантова механіка, що виявила імовірнісний характер законів мікросвіту.
Вони дозволили пояснити багато фізичних явищ, які не вкладалися в рамках класичної механіки.
Висновок: Таким чином, відкриття у фізиці кінця 19-го - початку 20-го століття остаточно зруйнували колишню механистическую картину світу. Настав новий етап некласичного природознавства 20-го століття, характеризується новими квантовими релятивістськими уявленнями про фізичної реальності.
1. Природничонаукової і гуманітарної КУЛЬТУРИ
Культура - в широкому сенсі є сукупність створених людиною матеріальних і духовних цінностей, а також сама людська здатність ці цінності виробляти і використовувати. Відповідно розрізняють культуру матеріальну і духовну.
Одним з найважливіших компонентів духовної культури є наука.
На початку 20 століття склалося стійке уявлення про «2-ух культурах науки» - природничо (системі знань про природу) та гуманітарної (система знань про цінності буття людини і суспільства).
Вперше цю ідею висунули представники неокатетіанства (Віндельбанд, Ріккерт) і філософ життя - Дільтей. Така відмінність обумовлена специфікою об'єктів вивчення цих наук.
КРИТЕРІЇ ВІДМІННОСТІ:
- Об'єкт дослідження (природна наука - природа; гуманітарна наука - людина, суспільство);
- Метод дослідження (природна наука - «генерализирующий метод», тому що орієнтовано на загальне, універсальне, а індивідуальне не має для них значення; гуманітарна наука - «индивидуализирующий метод», тому що для них характерний інтерес до індивідуального, конкретному , унікальному);
- Провідна функція. Головна функція природничої науки - пояснення, тому що всі явища природи обумовлені і закономірні. Гуманітарна наука має справу з історичними подіями, людськими почуттями, цінностями і т.д., які підлягають розуміння.
- Гуманітарні науки ідеологізовані, тобто можуть відображати інтереси будь-яких соціальних груп, класів, націй.
- Природничі науки, що мають своїм об'єктом природу, ідеологічно нейтральні.
- Кількісні та якісні характеристики. Природничі науки роблять упор на об'єктивну кількісну характеристику об'єктів. У гуманітарних науках переважають якісні характеристики.
Але ці відмінності не скасовують взаємозв'язку цих наук, комплексні дослідження на основі взаємодії природних і гуманітарних наук активно проводяться сьогодні при дослідженні біосфери, глобальних проблем і т.д.
ОСОБЛИВОСТІ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ:
Наука - система знань і діяльність людей, спрямована на досягнення об'єктивних істинних знань про дійсність.
1. Наукове пізнання пропонує не тільки опис, але і пояснення фактів, виявлення всього комплексу причин, що породжують явище;
2. Наука орієнтована на отримання такого нового знання, істинність якого не просто стверджується, але і доводиться;
3. Наукове пізнання націлене на об'єктивність відкриваються істин (незалежність від свідомості людства), тобто на отримання таких знань, зміст яких не залежить не від людини, не від людства.
4. Усвідомлення методів, за допомогою яких досліджується об'єкт, контроль над самою процедурою отримання нового знання.
5. Наукове пізнання характеризується систематизованості, а також логічної виводимістю одних знань з інших.
6. Вироблення спеціальної мови науки: чітко фіксує сенс і значення понять.
2. ДИСЦИПЛІНАРНА ОРГАНІЗАЦІЯ НАУКИ
Сучасна наука - сукупність окремих наукових галузей, які за предметом своїх досліджень діляться на:
1.естесственние, вивчають природу, її закони, способи освоєння природи (хімія, фізика, біологія). Зайняті фундаментальними дослідженнями.
2. суспільні науки, вивчають суспільство і різні суспільні явища, закони їх розвитку самої людини, як соціальної істоти, різні спільності людей і т.д. Серед суспільних наук виділяють соціально-наукові дисципліни (економіка, етнографія, демографія тощо) і виділяють гуманітарні, предметом яких виступають групові цінності, ідеали, норми і правила мислення та поведінки (етика, правознавство, реліговееденіе, мистецтвознавство).
3.техніческіе науки вивчають закони створення та функціонування складних технічних систем і функції у виробничій та іншій діяльності людей (радіотехніка), як правило, є прикладними.
3. РІВНІ І МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ
У структурі наукового пізнання виділяють 2 методи: емпіричний і теоретичний. Вони відрізняються за методами дослідження та характером одержаного знання.
Емпіричний рівень:
Заснований на безпосередньому істотно-практичного взаємодії дослідника з досліджуваним об'єктом. На цьому рівні відбувається накопичення, фіксація, узагальнення фактичного матеріалу для побудови теорій.
Основними формами знання є: науковий факт і емпіричне узагальнення.
МЕТОДИ ПІЗНАННЯ:
Метод - спосіб досягнення якої-небудь мети, система правил і прийомів пізнавальної та практичної діяльності.
1. Спостереження, вимірювання, порівняння, експеримент.
Спостереження - цілеспрямоване і організоване відтворення предметів і явищ навколишнього світу. Воно здійснюється без якої-небудь зміни досліджуваних предметів і явищ і втручання спостерігача в нормальний процес їх перебігу.
Вимірювання - порівняння об'єктів дослідження з яким-небудь подібним властивостям і сторонам.
Експеримент - використовується, коли необхідна інформація про предмет. Це такий метод наукового дослідження, який передбачає активну цілеспрямоване і строгоконтроліруемое вплив дослідника на об'єкт, що вивчається з метою отримання інформації про його властивості і зв'язках.
ТЕОРЕТИЧНИЙ РІВЕНЬ:
Пов'язаний з предметами і явищами зовнішнього світу опосередковано через емпіричний рівень. На цьому рівні відбувається розкриття найбільш глибоких, суттєвих сторін, зв'язків, закономірностей, властивих досліджуваним об'єктам і явищам.
ФОРМИ ЗНАННЯ: гіпотези, теорії, закони.
МЕТОДИ: 1. Формалізація - метод дослідження, який полягає у використанні спеціальної символіки, що дозволяє відволіктися від вивчення реальних об'єктів і оперувати замість цього деяким безліччю символів (знаків).
2. Аксіоматичний метод - побудова теорій на основі аксіом - тверджень, які не потребують доведення їх істинності (наприклад, геометрія Евкліда)
3. Гіпотетико-дедуктивний метод - створення системи дедуктивно пов'язаних між собою гіпотез, з яких виводиться твердження про емпіричних фактах.
А також: системний, структурно-функціональний, математичного моделювання.
4. Загальнонаукові методи
Застосовуються на всіх рівнях наукового пізнання: аналіз - мислене розчленування об'єкта на складові елементи з метою їх всебічного вивчення; синтез - об'єднання окремих елементів у єдине ціле; абстрагування - відволікання від ряду несуттєвих для даного дослідження властивостей і відносин досліджуваного явища з одночасним виділенням цікавлять властивостей і відносин; моделювання - дослідження моделей, що заміщають оригінал з певних сторін, що цікавлять дослідника.; індукція - метод дослідження, при якому загальний висновок будується з приватних посилів; дедукція - метод дослідження, за допомогою якого з загальних посилок слід висновок приватного характеру.
Тема 2. ЛОГІКА І ЗАКОНОМІРНОСТІ РОЗВИТКУ НАУКИ. СУЧАСНА НАУКОВА КАРТИНА СВІТУ
1. ДИФЕРЕНЦІАЦІЯ, ІНТЕГРАЦІЯ І Математизація В СУЧАСНІЙ НАУЦІ
Диференціація - створення нових наукових галузей у результаті розчленування традиційних наук на нові (наприклад, з колись єдиної науки про живі організми виділилися екологія, цитологія, фізіологія, генетика). У свою чергу нова наука генетика постає в різних видах: еволюційна, молекулярна, популяційна.
Диференціація носить у цілому прогресивний характер, сприяючи більш ретельного і глибокого вивчення окремих явищ та процесів певній галузі діяльності, але цей процес має і негативний момент - надмірна диференціація затуляє від дослідника цілісний образ досліджуваного предмета, що характеризують його загальні закономірності. Це веде до роз'єднаності наукових знань. Цей недолік компенсується протилежною тенденцією - інтеграцією знань (20 ст.). Інтеграція характеризується:
1. Комплексом взаємодії наук, на основі вивчення єдиного об'єкта, створенням загальнонаукових теорій (квантова механіка, теорія електромагнетизму і т.д.).
2. Освітою міждисциплінарних наук, що знаходяться на стику декількох традиційних наук (біофізика, геохімія та ін.)
Останнім часом тенденція до інтеграції наук стає провідною.
Математизація - особлива роль математики в природознавстві, обумовлена тим, що вона є загальним універсальною мовою для різних природних наук, пронизує всі основні стадії сучасного природничо процесу пізнання, такі як
- Збір та обробка кількісної інформації;
- Можливість перевірки гіпотез, що лежать в основі законів;
- Побудова математичного апарату;
- Моделювання природних процесів і явищ.
В міру свого розвитку природознавства використовує все більш досконалий математичний арсенал вищої математики: диференціація та інтеграція обчислення, диференційовані рівняння, математичну статику.
2. НАУКОВА КАРТИНА СВІТУ. ПРИНЦИПИ І ОСОБЛИВОСТІ ЇЇ РОЗВИТКУ
Природничо-наукова картина світу - частина загальної наукової картини світу, що включає систему уявлень про природу, що складаються в результаті синтезу досягнень природничих наук. Вона містить уявлення про живу і неживу природу. У структурі природничо-наукової картини світу виділяють також спеціальні наукові картини світу окремих наук, що представляють систему знань про фрагмент матеріального світу, який вивчається в даній науці її методами - фізична, астрономічна, біологічна картини світу.
ОСОБЛИВОСТІ СУЧАСНОЇ природничонаукової картини світу:
1. Системність. Означає, по-перше, що Всесвіт розглядається як найважливіша з всіх систем, що складається з безлічі елементів, підсистем різного рівня, складності, по-друге, ієрархічність - включення систем нижніх рівнів у системи більш високих рівнів.
2. Глобальний (універсальний) еволюціонізм - поширення принципу еволюції на всі сфери дійсності: від елементарних часток до космічних систем. Ця концепція дозволяє розглядати неорганічну природу, світ живого (органічну природу) і людського соціуму як єдиний еволюційний процес.
3. Самоорганізація (синергетика пронизує всі сфери знання) - здатність матерії до самоусложненію і створення все більш упорядкованих структур у ході еволюції.
Синергетика (теорія самоорганізації) з'явилася в 70-і роки 20 ст. Засновники - Хакен, І. Пригожин. Головна ідея - це ідея про принципову можливість спонтанного виникнення порядку та організації з безладдя та хаосу в результаті процесу самоорганізації. Предметом синергетики є складні системи, що самоорганізуються.
ВЛАСТИВОСТІ самоорганізуються:
1. Відкритість. Більшість відомих систем є відкритими, тобто вони обмінюються енергією, речовиною, інформацією з навколишнім середовищем, в ході якого відбувається пристосування всіх елементів системи до мінливих умов її існування.
2. Нерівноважності. Такі системи є нерівновагими, тобто вони знаходяться в стані далекому від термодинамічної рівноваги. У нерівноважних системах замість очікуваного хаосу і безладу спостерігаються ефекти впорядкованості та самоорганізації. Під самоорганізацією при цьому розуміється спонтанний перехід відкритої нерівноважної системи до більш впорядкованим формам організації (наприклад, наочним прикладом є механізм дії лазера).
Виникнення порядку відбувається через флуктуації, тобто випадкових відхилень системи від деякого середнього стану.
Флуктуації розхитують колишню структуру і призводять до нової. Цей перехід характеризують як виникнення порядку з хаосу. Іноді ці флуктуації можуть посилюватися, і тоді існуюча організація не витримує і руйнується. У такі переломні моменти (точки біфуркації) подальша еволюція системи непередбачувана. Можливе лише імовірнісний прогноз кількох альтернативних варіантів подальшого перебігу подій. Ключову роль відіграє випадковість. Через дії випадковості неможливо передбачити подальший розвиток.
Процес виникнення. Біфуркація робить еволюцію нерівноважну систему стрибкоподібної і нелінійної, а звідси випливає, що стрижнем якісних змін, що відбулися в сучасних уявленнях про природу та світі в цілому, є визнання нестійкості і нестабільності в якості фундаментальних характеристик світогляду.
Згідно сучасним уявленням синергетики світ побудований на очікуванні безперервних криз (точок біфуркації), моментів, коли доводиться приймати, то чи інше рішення.
3. НАУКОВІ РЕВОЛЮЦІЇ
Наукові картини світу змінюються одна за одною.
Наукова революція - радикальна зміна наукової картини світу - це процес переходу від одного способу пізнання до іншого, відображає більш глибинні зв'язки і відносини природи. Таких радикальних змін наукових картин світу, тобто наукових революцій в історії науки можна виділити три:
1.Арістотелевская; 6-5 ст. До н.е.
У 6-5 ст. До н.е. була здійснена перша революція в пізнанні світу, в результаті якої і з'явилася на світ сама наука. Історичний сенс цієї революції полягає в отличении науки від інших форм пізнання світу, у створенні певних норм і зразків побудови наукового знання. У цей період створюються математичні моделі, формуються цінні ідеї ряду майбутніх наук (фізики, біології та ін.) Першу універсальну систему світу створив Арістотель. У ній були об'єднані систематизовані і логічно розвинені всі накопичені знання про природу. Арістотель вперше спробував дати класифікацію наук, створив космологічне вчення, в основі якого геоцентрична модель світу - земля має форму кулі і є центром Всесвіту. Це вчення Аристотеля згодом обгрунтоване Птолемеєм зайняло панівне становище в космології до 16 ст. Весь подальший розвиток науки як в античності так і в середні століття в Європі здійснювалося в рамках вчення Арістотеля.
2.Ньютоновская. Означає виникнення нового природознавства, пов'язаного з іменами Коперніка, Кеплера, Ньютона.
1) Розроблено геліоцентрична картина світу Коперника - Земля не є центром Всесвіту. Вона обертається навколо своєї осі і разом з іншими планетами - навколо Сонця.
2) 16 - 17 ст. - Період переважного розвитку механіки. Виникає нова тенденція - зведення всіх знань про природу до фундаментальних принципів і уявленням механіки. Формується механістична картина світу, становлення якої пов'язане з ім'ям Галілея. Він першим звів механіку на рівень теоретичної науки. Ввів в механіку точний кількісний експеримент і математичний опис явищ.
Ньютон створив систему класичної механіки, що визначила особа природознавства аж до20 ст.
ВІН сформулював три основних закони динаміки, які лягли в основу механіки як науки і закон всесвітнього тяжіння. Створив (одночасно з Лейбніцем) принцип диференціації та інтеграції числень, який став математичної базою всього сучасного природознавства.
Підсумком ньютонівської революції з'явилася механістична картина світу на базі експериментально-математичного природознавства.
3.Ейнштейновская. Кінець 19-го - початок 20-го століття.
На початку 20 століття на зміну класичній механіці прийшла нова фундаментальна теорія. Вона була наслідком низки наукових відкриттів конца19-го - початку 20-го століття.
- Відкриття електрона Томпсоном;
- Рентгенівські промені;
- Явище радіоактивності (Беккерель);
- Експериментальне виявлення електромагнітних хвиль (Герц);
- Створення Періодичної системи хімічних елементів Менделєєва.
З'являються принципово нові фундаментальні теорії:
1. Теорія відносності - нова теорія простору, часу й тяжіння.
2. Квантова механіка, що виявила імовірнісний характер законів мікросвіту.
Вони дозволили пояснити багато фізичних явищ, які не вкладалися в рамках класичної механіки.
Висновок: Таким чином, відкриття у фізиці кінця 19-го - початку 20-го століття остаточно зруйнували колишню механистическую картину світу. Настав новий етап некласичного природознавства 20-го століття, характеризується новими квантовими релятивістськими уявленнями про фізичної реальності.
Тема 3. КУЛЬТУРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ МАТЕРІЇ
1. Системно-структурний ХАРАКТЕР ОРГАНІЗАЦІЇ МАТЕРІЇ
В основі сучасних уявлень про організацію матерії лежить системний підхід. З цієї точки зору будь-який об'єкт матеріального світу може бути розглянутий у якості системи.
Система - сукупність елементів і зв'язків між ними, що утворюють певну цілісність.
Елемент - означає нерозкладний компонент, що входить до складу певної системи.
Неподільне в одній системі може виявитися діленим в іншій системі, наприклад, макротела можна розглядати як певну систему молекул, але будь-яка молекула також є системою, тому що складається з атомів і певного зв'язку між ними, але атом також являє собою систему (ядро + електронна оболонка). Ядро кожного атома має свою внутрішню структуру і т.д.
Структура - сукупність зв'язків між елементами системи.
Отже, всі природні об'єкти об'єднані в класи матеріальних систем, в природознавстві виділяють 2 класу матеріальних систем:
- Система неживої природи;
- Система живої природи.
Нежива природа має такі структурні рівні:
- Мікроелементарний (елементарні частинки, фізичний вакуум);
- Атомарний;
- Молекулярний;
- Макроскопічні тіла;
- Планети і планетарні системи;
- Галактики (зірки та зоряні системи);
- Система галактик - Метагалактика.
Жива природа:
- Доклеточний рівень (білки, нуклеїнові кислоти);
- Клітинний рівень;
- Багатоклітинні організми (тварини та рослини);
- Популяції;
- Біоценози;
- Біосфера.
З точки зору системного підходу існують структури різного масштабу. У залежності від розмірів структур виділяють 3 рівні будови матерії:
2. МАКРОсвіти
Включає об'єкти, що оточують нас у повсякденному житті, просторові величини виражаються тут в кількісних заходи, а час у секундах, хвилинах, годинах.
Мікросвіту - світ надзвичайно малих часток, які безпосередньо ненаблюдаемость.
Просторові частки (від 10 ~ 8 до10 -
Час життя (від ∞ до 10 ~ 24 с).
3. Мегасвіт
Космічні об'єкти. Відстань вимірюється світловими роками, час - мільйонами і мільярдами років.
4. Макросвіту: КОНЦЕПЦІЇ КЛАСИЧНОГО природознавства
Закономірності руху тіл, що складають мікросвіт, описуються класичною фізикою, в основі якої лежать закони класичної механіки Галілея - Платона.
Класична механіка пояснювала всі явища природи механічним переміщення тіл.
Абсолютизація законів механіки призвела до створення механістичної картини світу, з точки, зору якої 1. матерія ототожнювалася з речовиною, що складається з неподільних найдрібніших частинок - атомів або корпускул. 2. простір і час розглядалися у відриві один від одного і від руху матеріальних тіл. 3. рух розглядалося лише як механічне переміщення тіл у відповідності з законами механіки. 4. дію тіл один на одного передається миттєво через порожнечу на як завгодно довгі відстані (принцип дальнодії). 5. принцип механічного детермінізму: всі механічні процеси пов'язані між собою такими причинно-наслідковими зв'язками, таким чином, що значення координат і імпульсів всіх частинок в даний момент часу абсолютно однозначно визначає його стан в будь-якій минув, або майбутній момент.
Далекий принцип надавав універсальний характер законами механіки відкидав існування випадковості в природі.
Класична механіка пояснює більшість фізичних явищ і процесів у земних і наземних умовах.
Довгий час вважалося. Що вона може дати теоретичне пояснення будь-яких явищ природи, але наступні відкриття в науці виявили, що в рамках класичної механіки виникли труднощі, зокрема, у поясненні оптичних та електромагнітних явищ.
Оптика: у кінці 17 століття виникли 2 протилежні підходи до пояснення природи світла:
1. Корпускулярна теорія Ньютона, згідно з якою світло являє собою потік матеріальних часток - корпускул, що випускаються світяться тілами і що летять по прямолінійних траєкторіях, відповідно до законів механіки.
Ця теорія пояснювала багато явищ, але відчувала труднощі в поясненні явищ інтерференції (явище посилення або послаблення світла при накладенні світлових пучків один на одного), дифракції (огинання світлом перешкод).
Одночасно голландський учений Гюйгенс висунув хвильову теорію, згідно з якою світло являє собою хвилю, поширення якої аналогічно поширенню хвиль на поверхні води. Особливою середовищем для розповсюдження хвиль він вважав ефір.
Але авторитет Ньютона сприяв тому, що більшість вчених дотримувалося корпускулярної теорії світла.
Але на початку 19-го століття з критикою нової теорії виступили Юнг та Френель, які пояснили явища дифракції й інтерференції з позиції хвильової теорії.
У результаті хвильова теорія отримала експериментальне підтвердження.
Електромагнітні явища:
Одночасно з виникненням хвильової теорії створюється електромагнітна теорія світла. Вирішальну роль у цьому зіграло вивчення електромагнітних процесів.
У 1820 році Ерстет виявив, що електричний струм створює навколо себе електромагнітне поле. Пізніше Фарадей висловив припущення про єдність електричних і магнітних явищ. Відкрив явище електромагнітної індукції і ввів у науку поняття «поля». Це поняття суперечило уявленням класичної фізики про матерії, як сукупності атомів.
На основі експериментальних даних Фарадея в 60-і роки 19-го століття Максвелл створив єдину теорію електромагнітного поля.
Було встановлено, що електромагнітні хвилі розповсюджуються в просторі із швидкістю світла. Виявилося, що світло - це електромагнітні хвилі певної довжини. Герц експериментально виявив електромагнітні хвилі. Уявлення про те, що світло є електромагнітною хвилею, отримало загальне визнання. Таким чином, було відкрито поле.
В кінці 19-го століття утвердилося поняття поля як особливого виду матерії, властивості якого неможливо пояснити механістичним закономірностями. Матерія існує в 2-ух видах - речовини і поля, разом з тим, у них виділялися суттєві різні властивості:
1. спосіб розповсюдження: речовина дискретно (безперервно), поле - безперервно.
2. речовина володіє масою спокою, а поле - ні.
3. речовина може рухатися з різною швидкістю, на завжди на багато порядків менше швидкості світла. Поле поширюється з постійною швидкістю приблизно рівній швидкості світла (300 000 км / с)
4. речовина мало проникності, поле проникності.
Отже, в класичній фізиці речовина і поле розглядаються окремими один від одного як 2 якісно своєрідних виду матерії. Однак, з розвитком фізики протиставлення речовини й поля в класичній фізиці змінилося розумінням їх взаємозв'язків і взаємодії між ними в сучасній фізиці.
Тема 4. Мікросвіту: КОНЦЕПЦІЇ СУЧАСНОЇ ФІЗИКИ (квантова фізика)
1. Квантовомеханічної КОНЦЕПЦІЯ ОПИСУ Мікросвіті
Поняття і принципи класичної фізики виявилися неприйнятними і до дослідження фізичних властивостей найдрібніших частинок матерії, які називають мікрооб'єктами (електрони, протони, нейтрони та ін.) Вони утворюють невидимий для нас мікросвіт, тому властивості видимого нами мікросвіту не схожі на властивості об'єктів макросвіту. Це призвело до створення нової науки - квантової механіки, що вивчає закони руху і взаємодії об'єктів мікросвіту.
Виявилося, що на мікрорівні одні й ті ж об'єкти виявляють як корпускулярні, так і хвильові властивості (Макс Планк 1900 рік - рік народження квантової механіки). Макс Планк вивчав процес випромінювання абсолютно чорного тіла, він прийшов до висновку, що випромінювання енергії відбувається не безперервно - окремими дискретними порціями - квантами.
Пізніше ця гіпотеза була обгрунтована Ейнштейном, який створив квантову теорію світла. У 1905 році він застосував квантові уявлення при поясненні фотоефекту (нобелівська премія), зрозумів, що світло має переривчасту структуру. Він назвав його фотоном.
Це означало визнання корпускулярних властивостей світла.
Виникала парадоксальна ситуація: в одних дослідах (фотоефект) світло виявляв корпускулярні властивості, в інших (дифракція, інтерференція) - хвильові властивості. Це означало, що світло має складну природу, володіючи одночасно корпускулярними і хвильовими властивостями - корпускулярно-хвильовий дуалізм (подвійна природа світла).
Девісон і Джермер експериментально довели, що частки також володіють корпускулярно-хвильову теорію.
У 1924 році французький фізик Луї де Бройль висунув ідею про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму, припустивши, що не тільки фотони, але й електрони і будь-які інші частинки матерії поряд з корпускулярними мають також хвильовими властивостями.
У 1927 році цю гіпотезу експериментально підтвердили Девісон і Джермер. Після цього визнання корпускулярно-хвильового дуалізму в сучасній фізиці стало загальним.
Отже, всім мікрооб'єктами притаманні і корпускулярні і хвильові властивості. Для них існує потенційна можливість проявити себе в залежності від зовнішніх умов або у вигляді хвилі, або у вигляді частки. На основі цих уявлень в 1927 році фізик Бор сформулював принцип додатковості, згідно з яким хвильові і корпускулярні опису процесів у мікросвіті не виключають, а взаємодоповнюють один одного. Тому повну інформацію про властивості мікрооб'єктів можна отримати тільки при обліку та корпускулярної та хвильової картин, вони взаємно доповнюють один одного.
У 1927 році Гейзенберг висунув принцип невизначеності, згідно з яким неможливо одночасно точно визначити координати, тобто місце розташування і її імпульс.
У класичній фізиці пропонується, що будь-яка частинка, що рухається на певній траєкторії, тому в будь-який момент часу можна точно фіксувати її координати і імпульс, мікрочастинки ж через наявність у них хвильових властивостей, не рухаються по певній траєкторії, тому якщо ми отримаємо точне значення однієї величини, то інша залишається повністю невизначеною і навпаки. Таким чином, для мікрочастинок не існує стану, при якому її координати і імпульс мали б одночасно точне значення. З точки зору квантової механіки передбачення поведінки мікрооб'єктів має імовірнісний характер. Закони квантової фізики - статистичні, закони класичної фізики - динаміки.
2. Атомістична концепція будови матерії
Атомістична гіпотеза будови матерії висунута в античності Демокрітом. У 18 столітті доведена реальність існування атомів. Але питання про внутрішню будову атомів не виникало, тому що вони вважалися неподільними.
Дослідження будови атома почалося з відкриття в 1790 році Томпсоном електрона. Він запропонував першу модель атома, згідно з якою електрони плавають усередині позитивно зарядженої сфери. Але ця модель існувала недовго. У 1711 році Резерфорд виявив, що в атомах існують ядра, і створив планетарну модель атома: в центрі атома позитивно заряджене ядро, навколо нього по різних орбітах обертаються електрони, як планети навколо Сонця. Але ця модель зіткнулася з 2-ма основними труднощами. З цього випливало, що рухається з прискоренням електрон повинен вивчати електромагнітні хвилі і після цього впасти на ядро, зруйнувавши атом. Проте досвід показує, що атоми - це стійкі освіти, з цього випливає, що випускається атомами світло повинне мати безперервний спектр, тоді як вони лінійчаті.
У 1917 році Нільс Бор запропонував якісно нову квантову модель атома.
Бор взяв за основу планетарну Резерфорда, він доповнив її 2-мя постулатами, абсолютно несумісними з класичною фізикою:
1. В атомі існують кілька стаціонарних орбіт, рухаючись по яких електрон не випромінює енергію (стійкість атомів пояснив цей постулат)
2. При переході атома від однієї стаціонарної орбіти на іншу він випускає або поглинає квант енергії (безперервність, лінійного спектра атомів).
Модель Бора точно описувала атом водню, але відчувала труднощі при поясненні багатоелектронних атомів. Теорія Бора була важлива у квантовій механіці, але вона володіла внутрішніми суперечностями:
У ній використовуються закони класичної фізики, але одночасно вводяться квантові постулати, сучасна теорія атома заснована на квантовій механіці, згідно з якою не існує цілком певних кругових орбіт, як в теорії Бора. У силу хвильової природи електрон «розмазаний» у просторі. Ми не можемо передбачити траєкторію, по якій буде рухатися електрон, а можемо лише обчислити вірогідність виявлення електрона в різних точках. Подібна ситуація відрізнялася від класичної фізики.
3. Елементарні частинки
Елементарні частинки (у буквальному значенні цього терміна) - це первинні неподільні частинки, з яких за припущенням складається вся матерія.
У сучасній науці цей термін означає частки, що входять до складу атома.
В кінці 19-го початку 20-го століть були відкриті складові елементи атомів: електрон, протон, нейтрон.
Далі в результаті досліджень космічних променів були виявлені десятки нових елементарних часток. Сьогодні відомо близько 400 тис. елементарних частинок. Більшість з них мають античастинки (відрізняються знаком заряду) і деякими іншими властивостями.
При зіткненні частинки та античастинки відбувається взаємне знищення (анігіляція) з появою інших частинок.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
1. Наявність у них маси спокою. Відповідно до їх масою частки поділяються на лептони (легкі частки), баріони (важкі частинки) і мезони (середні частки).
Є частинки, які не мають маси спокою, наприклад, фотон.
2. Заряд характеризує зв'язок з електричним полем. Частинки можуть мати позитивний, негативний і нульовий заряд.
3. Час життя (стабільні: електрон, протон, фотон, нітріно). Всі інші нестабільні, брешемо життя від 10 ~ 10 с до 10 ~ 20 с.
4. Спін - власний момент кількості руху частки, який може мати цілі і напівцілим значення.
ФІЗИЧНІ ВЗАЄМОДІЇ:
Елементарні частинки беруть участь у всіх видах відомих взаємодій.
1. Сильне (найсильніший з усіх). Обумовлює зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів. Діє на дуже маленьких відстанях. Радіус дії обмежений розміром ядра.
2. Електромагнітне. Властиве тільки елементарних частинок, тому в залежності від знаку заряду може проявлятися як тяжіння, так і відштовхування. Приблизно в 100 разів слабкіше сильного, але радіус дії практично необмежений. Завдяки йому виникають атоми, молекули і мікроскопічні тіла. Воно обумовлює також фізичні і хімічні властивості речовини.
3. Слабке (слабше електромагнітного, але сильніше гравітаційного). Володіє дуже малим радіусом дії, тому його вплив поширюється на субатомні частинки. Воно відповідальне за розпади частинок.
4. Гравітаційне - універсальне, властиве всім матеріальним об'єктам. Є найслабшою взаємодією. Тому його роль у мікросвіті незначна. У космічних масштабах йому належить певна роль. Радіус дії нескінченний.
Головна проблема сучасної фізики - об'єднання всіх фізичних взаємодій, пошук єдиної теорії поля.
У 70-і роки 20 століття Вайнберг і Салаам (нобелівська премія) зуміли об'єднати електромагнітне і слабку взаємодію, створивши теорію електрослабких взаємодій.
Сьогодні розробляється теорія моделі для універсального об'єднання 3 взаємодій (сильна, слабка, електромагнітне) - так зване Велике об'єднання.
Фізики припускають, що може бути створена єдина теорія всіх 4 фундаментальних взаємодій на основі одного фундаментального взаємодії - суперсили.
5. Класифікацією елементарних часток
Залежно від участі в тих чи інших видах взаємодії всі елементарні частинки розбиваються на 2 великі класи: адрони і лептони, а також в особливий клас виділяються частки - переносники взаємодій.
Адрони - частинки, які беруть участь у сильній взаємодії поряд з електромагнітним і слабким: Ядерна фізика (протон, нейтрон і ін), мезони (резонанс).
Лептони - не беруть участі в сильній взаємодії: електрон, мюон, таумптон, і відповідні нітріно.
3-й клас - переносники взаємодії.
Переносником електромагнітного взаємодії є фотони, сильної взаємодії - глюони, слабкої взаємодії - проміжні базони, припускають, що переносником гравітаційної взаємодії є Гравітон.
Отже, будівельний матеріал речовини становлять: адрони і лептони.
Лептони - істинно елементарні, тому що вони не виявляють ніякої внутрішньої структури і не мають піддаються визначенню розмірів.
Адрони - більш складні частинки. У 1964 році 2 вчених - Гелман і Цвейг - створили кваркової моделі адронів, згідно з якою адрони побудовані з більш фундаментальних частинок - кварків. Вони мають дробовий заряд і напівцілий спін.
В даний час відомо 6 типів («ароматів») кварків; додатково кварк кожного «аромату» розкладається по «цвіту»: червоний, жовтий, синій.
Отже, атом складається з електронів (лептони) і ядра. З точки зору кваркової моделі ядро атома - це вже не просто набір протонів і нейтронів, а сукупність відповідного числа кварків, пов'язаних між собою, таким чином, істинно елементарними є лептони і кварки, хоча гарантії, що вони є останніми неподільними - наука не дає. Тому термін «елементарний» має відносне значення. Він висловлює лише межі проникнення сучасної науки в структуру матерії, але зовсім не те, що відповідні частки є найпростішими і безструктурними.
6. Мегасвіт
З точки зору сучасної науки, мегасвіт - взаємодіюча і розвивається система всіх небесних тіл.
Поняття «Всесвіт» означає весь існуючий матеріальний світ. Частина Всесвіту доступна на даному рівні пізнання називається Метагалактикою або «нашого Всесвіту»
Будова, походження, еволюцію Всесвіту вивчає космологія.
Висновки космології про походження еволюції і майбутньому Всесвіту як цілого називається космологічними моделями.
7. Сучасної космологічної моделі ВСЕСВІТУ
Класична космологія виходила з тверджень абсолютність і нескінченності простору і часу, а також незмінність і вічність Всесвіту.
Питання про еволюцію Всесвіту в цілому не ставилося - теорія стаціонарного стану Всесвіту.
У 19 столітті класичні космологічні уявлення зіткнулися з 2-ма парадоксами, пов'язаними з постулатом про нескінченність Всесвіту.
1. Гравітаційний парадокс. Якщо Всесвіт нескінченний, то й сили тяжіння між тілами повинні бути нескінченними, що має привести до колапсу, тобто Всесвіт не могла б існувати вічно
2. Фотометричний парадокс. Якщо Всесвіт нескінченний, то в ній повинно існувати нескінченне число небесних тіл, а значить, світність неба теж повинна бути нескінченною, проте цього не відбувається.
Ці парадокси - наслідки неправомірного поширення законів класичної фізики на весь Всесвіт, тому потрібно не уточнення класичної фізики, а створення нової теорії тяжіння. Нею стала загальна теорія відносності Ейнштейна, яка покладена в основу сучасної (релятивістської) космології, яка прийшла на зміну класичній.
Першу космологічну модель, засновану на новій (релятивістської) теорії тяжіння в 1619 році запропонував сам Ейнштейн - релятивістська стаціонарна теорія. Він відмовився від постулатів класичної космології про абсолютність і нескінченності простору і часу, але зберіг принцип стаціонарності, незмінності Всесвіту в часі та її кінцівки в просторі. Властивості Всесвіту, на його думку, залежать від розподілу гравітаційних мас. Всесвіт безмежний, але кінцева в замкнутому просторі. Час існування Всесвіту - нескінченно, тобто не має ні початку, ні кінця.
Першим від постулату про стаціонарність Всесвіту відмовився А. Фрідман.
У 1922 році, вирішуючи рівняння загальної теорії відносності, він отримав несподіваний результат: Всесвіт не стационарна і володіє змінним у часі радіусом кривизни простору. Він припустив, що світовий простір аналогічно поверхні сфери, радіус якої зростає з часом. Всесвіт повинна еволюціонувати, тобто безперервно зміняться з часом. Відстані між галактиками не можуть залишатися постійними. Внаслідок наявності сили тяжіння вони повинні або видалятися, або зближуватися.
Висновок Фрідмана означав, що Всесвіт має або розширюватися, або стискатися. Висновок Фрідмана про стаціонарності Всесвіту отримав підтвердження. У 1925 році американський астроном Хаббл при дослідженні спектрів далеких галактик виявив, що чим більше відстань до галактики, тим більше величина червоного зсуву, отже, швидкості віддалення галактики від нас.
Отже, галактики розбігаються в різні боки від нас, причому швидкість розбігання прямо пропорційна відстані, але це на значить, що ми знаходимося в центрі Всесвіту. Таким чином, Хаббл своїми спостереженнями далеких галактик довів, що Всесвіт розширюється, і в космології утвердилася модель Всесвіту, що розширюється. Розширення Всесвіту почалося з її виникнення.
8. ПРОБЛЕМИ ПОХОДЖЕННЯ І ЕВОЛЮЦІЇ ВСЕСВІТУ
У 1927 році бельгійський вчений Джордж Леметр припустив виникнення і розширення Всесвіту з надщільного стану, уявивши цей процес у вигляді Великого вибуху, а припущення, що первісна речовина було надщільним і дуже гарячим, висловив вперше Г.А. Гамов. Згідно з уявленнями сучасної космології Всесвіт виник 15-20 млрд. років тому, коли всі речовина знаходилася в стані сингулярності (точковість) і надщільним стані. Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшла до розширення в результаті Великого вибуху. У міру розширення відбувалося зниження температури і щільності речовини.
9. ЕТАПИ ЕВОЛЮЦІЇ ВСЕСВІТУ
1. Адронний ера з моменту 10 ~ ~ 10 при температурі = 10 15 по Кельвіном речовина Всесвіту складалося з частинок і античастинок, які, об'єднуючись у групи, утворюють адрони (протони, нейтрони тощо) на 1 млн. античастинок припадає 1,1 млн. частинок.
Головна подія - анігіляція частинок і античастинок, але залишається певна кількість протонів і нейтронів, які послужили матеріалом, з якого побудована вся Всесвіт. Тривалість цієї ери - 0,0001 с.
2. Початок синтезу елементів приблизно через 100 с після початку розширення Всесвіту. При температурі 1 млрд. градусів почався ядерний синтез з утворенням ядер водню і гелію.
3. Через 300 тисяч років після Великого вибуху при температурі 4000 градусів за Кельвіном - етап рекомбінації ядер і електронів з утворенням атомів водню і гелію. Тривав 700 тис. років. У процесі подальшого розширення знижувалася температура речовини, і випромінювання в результаті випромінювання відокремилося від речовини - Всесвіт стала прозорою.
4. Через 1 млн. років настала зоряна ера - процес утворення протозвезд і протогалактик, з яких поступово формувалися зірки, галактики і т.д.
Цю модель називають стандартна або гаряча Всесвіт. Вона пояснює походження багатьох властивостей Всесвіту. Але причини Великого вибуху і розширення в ній лише постулюється (пояснення не дано).
У кінці 20 століття була створено гіпотеза інфляційної («роздуваються») Всесвіту, яка. Не скасовуючи основних постулатів, відповідає на ряд питань, які до недавнього часу вважалися недополненнимі. У ній описувалася еволюція всесвіту на самих ранніх стадіях, її розвиток розпочався з моменту 10 ~ 43 до 10 ~ 35 с, коли вона перебувала у стані помилкового вакууму. В основі цієї гіпотези уявлення про існування сили космічних відштовхувань неймовірної величини, яка змогла розірвати деякі матерії Всесвіту і викликати її розширення. Причому Всесвіт «роздувалася» зі швидкістю значно перевищує швидкість світла. Таке розширення означає, що всі частини Всесвіту розлітаються, як при вибуху, а це і є Великий вибух.
Вважається, що цей період «інфляції» передував Великому вибуху.
10. МАЙБУТНЄ ВСЕСВІТУ
Сучасна космологія не може відповісти на питання чи буде розширення продовжуватися або зміниться стисканням. Для цього потрібно знати величину середньої щільності речовини у Всесвіті і його відношення з критичної щільністю. Якщо середня щільність речовини менше критичної, то розширення триватиме необмежено. Якщо щільність більше критичної, то розширення Всесвіту у віддаленому майбутньому зміниться стисканням.
Згідно з сучасними даними критична щільність оцінюється в 10 ~ 26 кг / м (в кубі), а значення середньої щільності речовини у Всесвіті складає 3 * 10 ~ 27 кг / м (в кубі). Отже, Всесвіт буде розширюватися, але сучасний стан спостережень не дає можливість точного визначення середньої щільності речовини у Всесвіті, тому що неясна прихована маса речовини, до складу якої могли б входити нітріно, чорні діри, не світяться зірки та інші типи космічних об'єктів, тоді середня щільність речовини може виявитися вище критичної величини й у віддаленому майбутньому розширення Всесвіту зміниться її стисненням.
11. СТРУКТУРА ВСЕСВІТУ
Систем найвищого порядку - Метагалактика - це доступне спостереження частини Всесвіту, вона являє собою систему взаємодії скупчень галактик, вона має сітчасту («комірчасту») структуру, тобто галактики розташовані нерівномірно, а саме, вони утворюють комірки типу бджолиних сот. Уздовж стінок цих осередків розташовані галактики, а всередині - порожнеча.
Найбільше галактик зосереджено у вузлах (місцях перетину стінок) - нараховуються до 10-ков тисяч окремих галактик. Але в дуже великих масштабах (скупчення і сверхскопленія галактик) розподіл речовини виявляється рівномірним, значить якщо оглядати Всесвіт з будь-якою з галактик, то вона всюди буде виглядати практично однаково.
Скупчення галактик - групи галактик, зв'язаних в одну систему, завдяки взаємному гравітаційному тяжінню, хмари скупчень галактик утворюють сверхскопленія галактик.
Галактики - це гігантські зоряні системи, що містять від декількох мільйонів до багатьох сотень мільйонів зірок, газу, пилу. Вони містять різного роду поля і космічні промені.
За формою розрізняють:
1. еліптичні. Мають форму кіл або еліпсів з різним ступенем стиснення. Кількість зірок убуває рівномірно від центру.
2. спіралі: туманність Андромеди, Чумацький шлях (наша галактика).
3. неправильні галактики не мають певної форми, центральних ядер (Магелланові хмари).
У центрах багатьох галактик є яскраве щільне ядро, що складається в основному із зірок, але в деяких ядрах спостерігаються активні процеси, пов'язані з колосальним виділенням енергії. Такі ядра називають радіогалактиками.
У 1963 році виявлено галактики - джерела радіовипромінювання, які назвали квазари, при порівняно невеликих розмірах вони виділяють колосальну кількість енергії. Це найвіддаленіші об'єкти спостереження у Всесвіті. Припускають, що квазари є ядрами далеких галактик, що знаходяться в стадії надзвичайно сильної активності.
Скупчення зірок - це групи зірок, пов'язаних силами тяжіння і рухаються в просторі як єдине ціле.
Бувають 2-ух типів:
Кульові - це масивні об'єкти правильної сферичної форми, містять десятки, сотні тисяч, і іноді, і мільйони зірок. Це найстаріші зірки в галактиці - 12-14 млн. років.
Розсіяні - не мають правильної форми. Містять десятки, сотні найбільш великих тисяч зірок.
Зірки - це величезні розпечені світяться газові кулі - воднево-гелієві.
У них протікають ядерні реакції і за рахунок цього зірки постійно випромінюють енергію, зірки мають різну величину - гіганти і надгіганти, зірки-карлики. Зірки володіють різними температурами. Відповідно різний колір зірок. Порівняно «холодні» зірки - червонуваті, а самі гарячі - блакитні, білі.
Більшість зірок в галактиці розташовані подібно до нашої сонячній системі. Зірки виникли з газово-пилових хмар. Вони проходять різні еволюційні цикли життя і в кінцеві стадії своєї еволюції перетворюються на білі, потім у чорні карлики, потім в чорні дірки і т.д.
12. ПРОСТІР І ЧАС У сучасної наукової картини світу
В історії науки існували різні концепції простору і часу. Їх можна розділити на 2:
1. Субстанціональні (Демокріт, Ньютон). Простір і час розглядаються як об'єктивні самостійні сутності, що не залежать один від одного і від характеру протікають у них матеріальних процесів. Ньютон вводить поняття «абсолютний простір» і «абсолютна час».
2. Реляційна. Заперечувала існування простору і часу, як абсолютних сутностей. Простір і час - це особливі відносини між об'єктами і окремо від них не існують. Лейбніц вважав, що час - це порядок послідовності подій, а простір - порядок співіснування тел. Реляційна концепція склалася після створення теорії відносності і неевклідової геометрії.
Тема 5. Спеціальна теорія відносності
1. ПРОСТІР І ЧАС У спеціальній теорії відносності
Релятивістська теорія створена в 1905 році. В основу цієї теорії Ейнштейн поклав два постулати:
1. Принцип відносності (спочатку Галілей щодо до механічних процесам). Згідно з принципом відносності Галілея всі інерціальні системи (рухомі прямолінійно і рівномірно один щодо одного) рівноправні між собою у відношенні опису взаємодій.
Ейнштейн сформулював узагальнений принцип відносності: стосовно електромагнітних явищ всі інерціальні системи координат абсолютно рівноправні.
2. Принцип постійності швидкості світла у вакуумі: швидкість світла у вакуумі не залежить від джерела руху світла або спостерігача, однаково в усіх системах відліку і є граничною швидкістю поширення.
Постулати спеціальної теорії відносності знаходяться в очевидному протиріччі з тими уявленнями про простір і час, які склалися в механіці Ньютона. У класичній механіці вважалася очевидною абсолютність одночасних подій, що відбуваються і в одній і в різних точках простору.
У спеціальній теорії відносності одночасність 2-ух подій, що відбуваються в різних точках простору відносна: події одночасні в одній інерційній системі відліку не будуть одночасними в іншій, що рухається щодо першої.
Наслідком цього висновку стало визнання відносності вимірювання розмірів тіл: довжина тіла, виміряна різними спостерігачами або з різними швидкостями повинна бути різна, то ж саме відноситься і до часу, а саме час протікання процесу буде різним, якщо вимірювати його з різними швидкостями. При наближенні до швидкості світла всі процеси в системі сповільнюються, розміри тіл скорочуються.
Висновок: Таким чином, спеціальна теорія відносності встановила нерозривний зв'язок між простором і часом - тобто зміна часових властивостей і процесів завжди пов'язане із зміною їх просторових властивостей.
Підкреслюючи цей зв'язок, німецький вчений Мінковський ввів поняття «просторово-часового континууму» або «чотиривимірного простору», в якому 3 вимірювання характеризують положення, займане предметом у просторі. Четвертий простір - це час, коли подія відбувається.
2. ПРОСТІР І ЧАС У загальній теорії відносності
У загальній теорії відносності було встановлено, що метричні властивості залежать від сили гравітаційного поля.
Маси речовини створюють особливе поле тяжіння на властивості простору і часу. Наприклад, було встановлено, що на Сонці все відбувається повільніше, ніж на Землі з-за більш високого гравітаційного потенціалу на його поверхні.
Висновок: В залежності від гравітаційних мас час сповільнюється або прискорюється, а простір викривляється.
Неевклидова геометрія - геометрія викривленого простору, наприклад, в геометрії Евкліда (на площині) передбачається, що сума кутів трикутника становить 180 0, поверхня сфери в неевклідової геометрії називається поверхнею позитивної кривизни, а поверхні сідла - негативною кривизни.
4-хмерное простір Рімана виявилося адекватним явищу гравітації.
З точки зору загальної теорії відносності величина поля тяжіння в кожній точці простору залежить від його кривизни, таким чином, рух матеріальної точки в полі тяжіння здійснюється непрямолінійних і рівномірно, а з геодезичної лінії викривленого простору.
Висновок загальної теорії відносності: загальна теорія відносності довела зв'язок простору і часу з рухомою матерією.
3. Філософське значення ТЕОРІЇ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1. Виключила з науки поняття абсолютного простору і часу, як самостійних незалежних від матерії форм існування.
2. Показала залежність просторово-часових форм від характеру руху і взаємодії матеріальних систем, довівши тим самим, що простір і час - основні форми існування матерії.
Сам Ейнштейн, відповідаючи на питання про суть теорії відносності, сказав: «Суть така: раніше вважали, що якщо якимось дивом всі матеріальні речі зникли б раптом, то простір і час залишились би. Відповідно ж до теорії відносності разом з речами зникли і простір, і час ».
4. ВЛАСТИВОСТІ ПРОСТОРУ І ЧАСУ
Простір - форма існування матерії, що характеризує її протяжність, структурність, співіснування і взаємодію елементів у всіх матеріальних системах.
Час - форма існування матерії, яка характеризує тривалість існування всіх об'єктів і послідовність зміни станів всіх матеріальних систем.
ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ:
1. Об'єктивність простору і часу полягає в тому, що вони існують незалежно від свідомості.
2. Загальність характеризується тим, що немає і не може бути ні однієї події, явища, які існували поза простором і часом.
СПЕЦІАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОСТОРУ:
1. тривимірність;
2. однорідність полягає в рівноправності всіх точок простору, відсутність в ньому будь-яких виділених точок.
3. Ізотропності - рівноправність усіх можливих напрямків.
СПЕЦИФІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЧАСУ:
1. Одномірність. Положення об'єкту в часі описується однією величиною.
2. Незворотність, тобто односпрямованість. Час тече з минулого, через сьогодення, в майбутнє.
3. Однорідність полягає в рівноправності його моментів. Не існує переважної точки відліку будь-яку можна приймати за початкову.
5. СУЧАСНІ КОНЦЕПЦІЇ БІОЛОГІЧНОЇ ФОРМИ ОРГАНІЗАЦІЇ МАТЕРІЇ. ПРОБЛЕМИ ГЕНЕТИКИ
1. Предмет, структура і етапи розвитку біології як науки.
Біологія - наука про живе, будову і функціонування живих істот і їх спільнот, поширення, походження і розвиток живих організмів, зв'язку їх один з одним і з неживою природою.
ЕТАПИ РОЗВИТКУ:
Перші систематичні спроби опису тварин і рослин, відомості про анатомію, фізіології людини і тварин зробили мислителі античності (Гіппократ, Аристотель, гомілки та ін), але самостійною наукою біологія стала в 18-19 століттях.
1. Традиційна - зачатки класифікації рослинного і тваринного світу (Бюффон, Лінней і ін.)
2. Еволюційна - затвердження розвитку.
3. Молекулярно-генетична біологія (Мендель).
Біологія являє собою комплекс наук про живу природу. У залежності від предмета вивчення в біології виділяються мікробіологія, ботаніка, зоологія і т.д.
За рівнем організації живих об'єктів виділяють 3 рівні:
1. рівень біологічних організмів (морфологія, фізіологія, ембріологія)
2. суборганізменний рівень - дослідження організмів на молекулярному рівні: генетика (про спадковість), цитологія (будова живих клітин), молекулярна біологія вивчає мікроструктуру живих тканин.
3. рівень надорганізменних утворень. Складно взаємодіють між собою і навколишнім середовищем (екологія - зв'язок живого з навколишнім середовищем, біографія, біоценології, ін)
Отже, об'єктом вивчення в біології є живе.
ВЛАСТИВОСТІ ЖИВОГО:
1. живі організми мають складну впорядковану структуру. Рівень їх організації значно вище, ніж в неживих системах.
2. Подразливість - здатність живих організмів доцільно відповідати на впливи середовища.
3. Обмін з навколишнім середовищем енергією і речовиною, в результаті чого підтримується рівень впорядкованості організму і його частин, тобто це відкриті системи (див. синергетику).
4. Здатність до росту, розвитку й ускладнення, причому розвиток живого представлено як індивідуальним розвитком (онтогенез), так і історичним, що супроводжується утворенням нових видів і прогресивним ускладненням життя (філогенез).
5. Здатність до самовідтворення, розмноженню, засноване на здатності молекул ДНК передавати нащадкам спадкову інформацію про ознаки, властивості і функції організму.
6. Здатність до саморегуляції. Живі організми здатні пристосовуватися до безперервно мінливих умов середовища та інтенсивності перебігу фізіологічних процесів.
7. всі живі організми влаштовані з біополімерів - високомолекулярних природних сполук (білків, нуклеїнових кислот тощо), які беруть участь у всіх процесах життєдіяльності організму.
Із сукупності цих ознак можна дати наступне визначення життя:
Життя - є форма існування складних відкритих систем, здатних до самоорганізації та самовідтворення, побудованих з біополімерів (білків, нуклеїнових кислот).
6. СТРУКТУРНІ рівні організації живої матерії
Світ живого є сукупність живих систем різного ступеня складності та організації. За цим критерієм виділяють такі рівні організації живих систем:
1. Молекулярний. Представлений білками і нуклеїновими кислотами, які лише в своїй сукупності несуть окремі ознаки життя. Таким чином, живий є не окрема молекула ДНК, РНК або білка, а їх система в цілому.
2. Клітинний рівень. Являє собою складну цілісну систему, компонентом якої є молекулярні освіти.
3. Органо-ткакневий. Тканина - сукупність подібних за будовою клітин, що виконують загальні функції. Спільно функціонуючі клітини, які відносяться до різних тканин, складають органи.
4. Організменний. Представлений організмом як цілісною системою взаємодії його компонентів, що виконують специфічні функції.
5. Популяційно-видовий - спільнота особин одного виду, яке пов'язані між собою загальним місцем проживання і генофондом, схрещуються і відтворюють себе в потомстві.
6. Біоценози - комплекс живих і неживих компонентів, що займають певну територію - екосистема.
7. Біосфера - сукупність всіх живих організмів планети разом з навколишнім середовищем.
7. КОНЦЕПЦІЇ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ
1. Довгий час існувало уявлення про можливості зародження живого з неживого: креаціонізм (божественне походження життя, в результаті акту божественного творіння).
2. Концепція багаторазового самовільного зародження життя з неживої речовини. Але в 60-і роки 19-го століття Луї Пастор своїми дослідами довів неможливість спонтанного самозародження найпростіших організмів. Після цього з'являються теорії вічності життя: зокрема, концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди.
3. Концепція панспермії - позаземне походження - зародки живих організмів занесені на Землю з космосу метеоритами і космічним пилом - Ріхтер. У 20 столітті ідею космічного походження живого на Землі і вічності існування життя в космосі розвивав Вернадський.
4. Біохімічні концепції походження живого. У сучасній науці прийнято гіпотеза абіогенного (небіологічного) походження життя під дією природних причин. У результаті тривалої еволюції - хімічної, а потім біохімічної, зародилося живе. В основі цієї концепції гіпотеза Опаріна
Вік Землі - 5-6 млрд. років. Життя існує на Землі 3,5 млрд. років.
8. ОСНОВНІ ЕТАПИ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ
1. Освіта простих органічних сполук. На початкових етапах своєї історії Земля являла собою розпечену планету (4 000 - 8 000 градусів). Але в міру її остигання важкі хімічні елементи переміщалися до центру, і згодом утворили земну кору, а легкі елементи (кисень, водень, вуглець, азот) накопичувалися на поверхні і стали взаємодіяти один з одним. Коли температура поверхні Землі наблизилася до 100 0 С, відбулося згущення водяної пари і утворення великих водойм. У результаті активної вулканічної діяльності і з внутрішніх шарів Землі на поверхню виносилися різні карбіди (метал + вуглець). Вони змивалися в первинний бульйон, де вступали у взаємодію з водою. У результаті утворилися різні вуглеводневі сполуки.
2. Виникнення складних органічних сполук. На цьому етапі, завдяки високій температурі, грозових розрядів, ультрафіолетового випромінювання прості молекули органічних сполук при взаємодії з іншими речовинами ускладнювалися і утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири, амінокислоти, вуглеводи. Однією з умов для синтезу біополімерів була відсутність в первинній атмосфері кисню, оскільки органічні речовини набагато легше створюються в відновному середовищі, ніж в атмосфері, багатою киснем. Згідно з гіпотезою Опаріна розрізнені з'єднання змішувалися з утворенням коацевратних крапель, на думку Опаріна коацервати є попередниками клітин. Коацервати мають ряд властивостей, які зближують їх з найпростішими живими системами (первинний обмін речовин, збільшення в розмірі та ін.)
3. Виникнення найпростіших форм живого. Завершення процесу біогенезу пов'язано з виникненням у більш стійких коацерватів здатність до самовідтворення з боку частин, переходом до матричному синтезу білка, характерного для живих організмів. У ході предбіологічною відбору виживали ті коацервати, у яких здатність до обміну речовин поєднувалася зі здатністю до самовідтворення. На цьому етапі завершився процес добіологіческой еволюції і почався період біологічної еволюції.
Ця концепція походження життя не є єдино можливою і потребує експериментальному підтвердженні.
Слабкість гіпотези полягає в невирішеності головного питання всієї проблеми - про рушійні сили саморозвитку хімічних систем і переходу від хімічної еволюції до біологічної. Яка причина того таємничого поштовху від неживої до живої природи? Жодна з існуючих гіпотез не може пояснити виникнення механізму спадковості. Сьогодні для пояснення переходу від передбіологічній еволюції до біологічної використовується теорія самоорганізації (синергетика), закони якої дозволяють пояснити спонтанне виникнення нових структур у ході взаємодії відкритої системи з навколишнім середовищем.
9. ПРОБЛЕМИ ГЕНЕТИКИ
Генетика - наука про спадковість і мінливість організмів і способи управління ними.
1900 рік - перевідкриття законів Менделя. Виникнення генетики пов'язане з відкриттям у 1865 році законів спадковості Менделем. Але роботи Менделя були незамічена. У 1900 році закони Менделя були відкриті незалежно 3-ма вченими (Де Фриз, Чермак, Корренс).
У 20 столітті пішов цілий ряд відкриттів, а саме, в 1912 році Морган розробив хромосомну теорію спадковості, в 1944 році американські біохіміки Евері і компанія встановили, що носієм спадкової інформації є ДНК, в 1953 році розшифровано будова ДНК, яка показала, що молекула складається з 2-ух полінуклеідних ланцюгів, кожна з якої виступає в якості матриці для синтезу нових ланцюгів. В останні десятиліття вченими було встановлено залежність синтезу білків від стану генів, здійснено синтез гена, розшифрована амінокислотна послідовність багатьох білків і т.д.
В кінці 2000 року розшифровано геном людини. Геном - сукупність генів, зосереджених в одиничному наборі хромосом даного організму. Геном людини містить близько 100 тис. генів, що містять близько 3 млрд. одиниць інформації.
Це дало розуміння причин і механізмів хвороб і дозволить виробити ефективні методи їх лікування.
Але для того, щоб встановити функції всіх генів потрібно багато часу.
Найбільше відкриття сучасної генетики пов'язане з встановленням здібностей генів.
Мутації - стрибкоподібні і стійкі зміни генетичного матеріалу, що передається у спадок.
По зміні генетичного матеріалу мутації поділяються на:
1. Геномні - зміна числа хромосом. Втрата будь-якої з 46 хромосом або додавання зайвої веде до важких розладів розвитку. Наприклад, зайва хромосома у 21 парі призводить до хвороби Дауна.
2. Хромосомні. Пов'язані зі зміною структури в зародкових клітинах дитини.
3. Генні мутації пов'язані зі зміною молекулярної структури ДНК.
Мутації можуть бути шкідливими, нейтральними і набагато рідше - корисними (підвищення пристосовності до життя).
Чинники, що викликають мутації називаються мутагенними: радіація, хімічні зміни, зміна температур, віруси, бактерії.
10. ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ
Виникла в 70-80 роки 20 століття. Генна інженерія - розділ молекулярної генетики, пов'язані з цілеспрямованим конструюванням нових неіснуючих в природі сполучень генів.
ЗАВДАННЯ генної інженерії: розшифровка структури генів, синтез генів біохімічним шляхом, клонування генів, перенесення виділених або знову синтезованих генів з однієї клітини або організму в іншу з метою спрямованої зміни їх спадкових властивостей, тобто управління спадковістю. Шляхом втручання людини в конструкцію ДНК були поліпшені або змінені властивості десятків тварин і рослин з метою підвищення врожайності сільськогосподарських культур та поліпшення порід худоби.
Застосування генної інженерії: у медіціне1. пов'язано з діагностикою захворювань - розроблені діагностичні препарати, що дозволяють виявити генетичні аномалії в період вагітності. 2. лікування захворювань. Розробляються методи лікування спадкових хвороб шляхом введення генів з правильною інформацією в клітини, що містять дефектні гени або додаванням нових генів, в яких є речовини для боротьби з хворобою (генотерапія).
3.Профілактіка. Одним з перспективних напрямків генної інженерії є культивування генів хворих і здорових людей у клітинах інших живих організмів з метою вивчення молекулярних основ спадкових захворювань людини.
Клонування - процес, в ході якого жива істота виробляється від єдиної клітини, взятої від іншої живої істоти.
Генна інженерія лежить в основі сучасної біотехнології.
ЗАСТОСУВАННЯ: у медицині і фармацевтиці (гормон росту, інтерферон, клонований ген інсуліну, нейропіптіди - білки головного мозку, що регулюють такі біологічні процеси як сон, пам'ять, біль і т.д.), отримання харчових продуктів з трансгенних рослин (генетично змінені з заданими параметрами ).
З 1996 року вирощують трансгенну картоплю, кукурудзу, сою, проте, далеко не всі вчені впевнені в їх безпеці.
3. Філософське значення ТЕОРІЇ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1. Виключила з науки поняття абсолютного простору і часу, як самостійних незалежних від матерії форм існування.
2. Показала залежність просторово-часових форм від характеру руху і взаємодії матеріальних систем, довівши тим самим, що простір і час - основні форми існування матерії.
Сам Ейнштейн, відповідаючи на питання про суть теорії відносності, сказав: «Суть така: раніше вважали, що якщо якимось дивом всі матеріальні речі зникли б раптом, то простір і час залишились би. Відповідно ж до теорії відносності разом з речами зникли і простір, і час ».
4. ВЛАСТИВОСТІ ПРОСТОРУ І ЧАСУ
Простір - форма існування матерії, що характеризує її протяжність, структурність, співіснування і взаємодію елементів у всіх матеріальних системах.
Час - форма існування матерії, яка характеризує тривалість існування всіх об'єктів і послідовність зміни станів всіх матеріальних систем.
ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ:
1. Об'єктивність простору і часу полягає в тому, що вони існують незалежно від свідомості.
2. Загальність характеризується тим, що немає і не може бути ні однієї події, явища, які існували поза простором і часом.
СПЕЦІАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОСТОРУ:
1. тривимірність;
2. однорідність полягає в рівноправності всіх точок простору, відсутність в ньому будь-яких виділених точок.
3. Ізотропності - рівноправність усіх можливих напрямків.
СПЕЦИФІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЧАСУ:
1. Одномірність. Положення об'єкту в часі описується однією величиною.
2. Незворотність, тобто односпрямованість. Час тече з минулого, через сьогодення, в майбутнє.
3. Однорідність полягає в рівноправності його моментів. Не існує переважної точки відліку будь-яку можна приймати за початкову.
5. СУЧАСНІ КОНЦЕПЦІЇ БІОЛОГІЧНОЇ ФОРМИ ОРГАНІЗАЦІЇ МАТЕРІЇ. ПРОБЛЕМИ ГЕНЕТИКИ
1. Предмет, структура і етапи розвитку біології як науки.
Біологія - наука про живе, будову і функціонування живих істот і їх спільнот, поширення, походження і розвиток живих організмів, зв'язку їх один з одним і з неживою природою.
ЕТАПИ РОЗВИТКУ:
Перші систематичні спроби опису тварин і рослин, відомості про анатомію, фізіології людини і тварин зробили мислителі античності (Гіппократ, Аристотель, гомілки та ін), але самостійною наукою біологія стала в 18-19 століттях.
1. Традиційна - зачатки класифікації рослинного і тваринного світу (Бюффон, Лінней і ін.)
2. Еволюційна - затвердження розвитку.
3. Молекулярно-генетична біологія (Мендель).
Біологія являє собою комплекс наук про живу природу. У залежності від предмета вивчення в біології виділяються мікробіологія, ботаніка, зоологія і т.д.
За рівнем організації живих об'єктів виділяють 3 рівні:
1. рівень біологічних організмів (морфологія, фізіологія, ембріологія)
2. суборганізменний рівень - дослідження організмів на молекулярному рівні: генетика (про спадковість), цитологія (будова живих клітин), молекулярна біологія вивчає мікроструктуру живих тканин.
3. рівень надорганізменних утворень. Складно взаємодіють між собою і навколишнім середовищем (екологія - зв'язок живого з навколишнім середовищем, біографія, біоценології, ін)
Отже, об'єктом вивчення в біології є живе.
ВЛАСТИВОСТІ ЖИВОГО:
1. живі організми мають складну впорядковану структуру. Рівень їх організації значно вище, ніж в неживих системах.
2. Подразливість - здатність живих організмів доцільно відповідати на впливи середовища.
3. Обмін з навколишнім середовищем енергією і речовиною, в результаті чого підтримується рівень впорядкованості організму і його частин, тобто це відкриті системи (див. синергетику).
4. Здатність до росту, розвитку й ускладнення, причому розвиток живого представлено як індивідуальним розвитком (онтогенез), так і історичним, що супроводжується утворенням нових видів і прогресивним ускладненням життя (філогенез).
5. Здатність до самовідтворення, розмноженню, засноване на здатності молекул ДНК передавати нащадкам спадкову інформацію про ознаки, властивості і функції організму.
6. Здатність до саморегуляції. Живі організми здатні пристосовуватися до безперервно мінливих умов середовища та інтенсивності перебігу фізіологічних процесів.
7. всі живі організми влаштовані з біополімерів - високомолекулярних природних сполук (білків, нуклеїнових кислот тощо), які беруть участь у всіх процесах життєдіяльності організму.
Із сукупності цих ознак можна дати наступне визначення життя:
Життя - є форма існування складних відкритих систем, здатних до самоорганізації та самовідтворення, побудованих з біополімерів (білків, нуклеїнових кислот).
6. СТРУКТУРНІ рівні організації живої матерії
Світ живого є сукупність живих систем різного ступеня складності та організації. За цим критерієм виділяють такі рівні організації живих систем:
1. Молекулярний. Представлений білками і нуклеїновими кислотами, які лише в своїй сукупності несуть окремі ознаки життя. Таким чином, живий є не окрема молекула ДНК, РНК або білка, а їх система в цілому.
2. Клітинний рівень. Являє собою складну цілісну систему, компонентом якої є молекулярні освіти.
3. Органо-ткакневий. Тканина - сукупність подібних за будовою клітин, що виконують загальні функції. Спільно функціонуючі клітини, які відносяться до різних тканин, складають органи.
4. Організменний. Представлений організмом як цілісною системою взаємодії його компонентів, що виконують специфічні функції.
5. Популяційно-видовий - спільнота особин одного виду, яке пов'язані між собою загальним місцем проживання і генофондом, схрещуються і відтворюють себе в потомстві.
6. Біоценози - комплекс живих і неживих компонентів, що займають певну територію - екосистема.
7. Біосфера - сукупність всіх живих організмів планети разом з навколишнім середовищем.
7. КОНЦЕПЦІЇ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ
1. Довгий час існувало уявлення про можливості зародження живого з неживого: креаціонізм (божественне походження життя, в результаті акту божественного творіння).
2. Концепція багаторазового самовільного зародження життя з неживої речовини. Але в 60-і роки 19-го століття Луї Пастор своїми дослідами довів неможливість спонтанного самозародження найпростіших організмів. Після цього з'являються теорії вічності життя: зокрема, концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди.
3. Концепція панспермії - позаземне походження - зародки живих організмів занесені на Землю з космосу метеоритами і космічним пилом - Ріхтер. У 20 столітті ідею космічного походження живого на Землі і вічності існування життя в космосі розвивав Вернадський.
4. Біохімічні концепції походження живого. У сучасній науці прийнято гіпотеза абіогенного (небіологічного) походження життя під дією природних причин. У результаті тривалої еволюції - хімічної, а потім біохімічної, зародилося живе. В основі цієї концепції гіпотеза Опаріна
Вік Землі - 5-6 млрд. років. Життя існує на Землі 3,5 млрд. років.
8. ОСНОВНІ ЕТАПИ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ
1. Освіта простих органічних сполук. На початкових етапах своєї історії Земля являла собою розпечену планету (4 000 - 8 000 градусів). Але в міру її остигання важкі хімічні елементи переміщалися до центру, і згодом утворили земну кору, а легкі елементи (кисень, водень, вуглець, азот) накопичувалися на поверхні і стали взаємодіяти один з одним. Коли температура поверхні Землі наблизилася до 100 0 С, відбулося згущення водяної пари і утворення великих водойм. У результаті активної вулканічної діяльності і з внутрішніх шарів Землі на поверхню виносилися різні карбіди (метал + вуглець). Вони змивалися в первинний бульйон, де вступали у взаємодію з водою. У результаті утворилися різні вуглеводневі сполуки.
2. Виникнення складних органічних сполук. На цьому етапі, завдяки високій температурі, грозових розрядів, ультрафіолетового випромінювання прості молекули органічних сполук при взаємодії з іншими речовинами ускладнювалися і утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири, амінокислоти, вуглеводи. Однією з умов для синтезу біополімерів була відсутність в первинній атмосфері кисню, оскільки органічні речовини набагато легше створюються в відновному середовищі, ніж в атмосфері, багатою киснем. Згідно з гіпотезою Опаріна розрізнені з'єднання змішувалися з утворенням коацевратних крапель, на думку Опаріна коацервати є попередниками клітин. Коацервати мають ряд властивостей, які зближують їх з найпростішими живими системами (первинний обмін речовин, збільшення в розмірі та ін.)
3. Виникнення найпростіших форм живого. Завершення процесу біогенезу пов'язано з виникненням у більш стійких коацерватів здатність до самовідтворення з боку частин, переходом до матричному синтезу білка, характерного для живих організмів. У ході предбіологічною відбору виживали ті коацервати, у яких здатність до обміну речовин поєднувалася зі здатністю до самовідтворення. На цьому етапі завершився процес добіологіческой еволюції і почався період біологічної еволюції.
Ця концепція походження життя не є єдино можливою і потребує експериментальному підтвердженні.
Слабкість гіпотези полягає в невирішеності головного питання всієї проблеми - про рушійні сили саморозвитку хімічних систем і переходу від хімічної еволюції до біологічної. Яка причина того таємничого поштовху від неживої до живої природи? Жодна з існуючих гіпотез не може пояснити виникнення механізму спадковості. Сьогодні для пояснення переходу від передбіологічній еволюції до біологічної використовується теорія самоорганізації (синергетика), закони якої дозволяють пояснити спонтанне виникнення нових структур у ході взаємодії відкритої системи з навколишнім середовищем.
9. ПРОБЛЕМИ ГЕНЕТИКИ
Генетика - наука про спадковість і мінливість організмів і способи управління ними.
1900 рік - перевідкриття законів Менделя. Виникнення генетики пов'язане з відкриттям у 1865 році законів спадковості Менделем. Але роботи Менделя були незамічена. У 1900 році закони Менделя були відкриті незалежно 3-ма вченими (Де Фриз, Чермак, Корренс).
У 20 столітті пішов цілий ряд відкриттів, а саме, в 1912 році Морган розробив хромосомну теорію спадковості, в 1944 році американські біохіміки Евері і компанія встановили, що носієм спадкової інформації є ДНК, в 1953 році розшифровано будова ДНК, яка показала, що молекула складається з 2-ух полінуклеідних ланцюгів, кожна з якої виступає в якості матриці для синтезу нових ланцюгів. В останні десятиліття вченими було встановлено залежність синтезу білків від стану генів, здійснено синтез гена, розшифрована амінокислотна послідовність багатьох білків і т.д.
В кінці 2000 року розшифровано геном людини. Геном - сукупність генів, зосереджених в одиничному наборі хромосом даного організму. Геном людини містить близько 100 тис. генів, що містять близько 3 млрд. одиниць інформації.
Це дало розуміння причин і механізмів хвороб і дозволить виробити ефективні методи їх лікування.
Але для того, щоб встановити функції всіх генів потрібно багато часу.
Найбільше відкриття сучасної генетики пов'язане з встановленням здібностей генів.
Мутації - стрибкоподібні і стійкі зміни генетичного матеріалу, що передається у спадок.
По зміні генетичного матеріалу мутації поділяються на:
1. Геномні - зміна числа хромосом. Втрата будь-якої з 46 хромосом або додавання зайвої веде до важких розладів розвитку. Наприклад, зайва хромосома у 21 парі призводить до хвороби Дауна.
2. Хромосомні. Пов'язані зі зміною структури в зародкових клітинах дитини.
3. Генні мутації пов'язані зі зміною молекулярної структури ДНК.
Мутації можуть бути шкідливими, нейтральними і набагато рідше - корисними (підвищення пристосовності до життя).
Чинники, що викликають мутації називаються мутагенними: радіація, хімічні зміни, зміна температур, віруси, бактерії.
10. ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ
Виникла в 70-80 роки 20 століття. Генна інженерія - розділ молекулярної генетики, пов'язані з цілеспрямованим конструюванням нових неіснуючих в природі сполучень генів.
ЗАВДАННЯ генної інженерії: розшифровка структури генів, синтез генів біохімічним шляхом, клонування генів, перенесення виділених або знову синтезованих генів з однієї клітини або організму в іншу з метою спрямованої зміни їх спадкових властивостей, тобто управління спадковістю. Шляхом втручання людини в конструкцію ДНК були поліпшені або змінені властивості десятків тварин і рослин з метою підвищення врожайності сільськогосподарських культур та поліпшення порід худоби.
Застосування генної інженерії: у медіціне1. пов'язано з діагностикою захворювань - розроблені діагностичні препарати, що дозволяють виявити генетичні аномалії в період вагітності. 2. лікування захворювань. Розробляються методи лікування спадкових хвороб шляхом введення генів з правильною інформацією в клітини, що містять дефектні гени або додаванням нових генів, в яких є речовини для боротьби з хворобою (генотерапія).
3.Профілактіка. Одним з перспективних напрямків генної інженерії є культивування генів хворих і здорових людей у клітинах інших живих організмів з метою вивчення молекулярних основ спадкових захворювань людини.
Клонування - процес, в ході якого жива істота виробляється від єдиної клітини, взятої від іншої живої істоти.
Генна інженерія лежить в основі сучасної біотехнології.
ЗАСТОСУВАННЯ: у медицині і фармацевтиці (гормон росту, інтерферон, клонований ген інсуліну, нейропіптіди - білки головного мозку, що регулюють такі біологічні процеси як сон, пам'ять, біль і т.д.), отримання харчових продуктів з трансгенних рослин (генетично змінені з заданими параметрами ).
З 1996 року вирощують трансгенну картоплю, кукурудзу, сою, проте, далеко не всі вчені впевнені в їх безпеці.