Поняття науки. Значення науки у сучасній культурі
Кожну людину, починаючи з самого раннього віку, відрізняє цікавість - природне прагнення пізнати навколишній світ. «Цікавість споріднено людині і освіченому, і дикому», - стверджував видатний російський історик і письменник Н.М. Карамзін (1766 - 1826). З віком неусвідомлене цікавість поступово переростає в усвідомлене бажання пізнати закони, які управляють природою, навчитися застосовувати їх у своїй трудовій діяльності, передбачаючи можливі її наслідки. Закони природи і способи їх застосування відображають концентрований досвід людства. Спираючись на нього, людина здатна захистити себе від помилок, і йому легше досягти бажаних цілей. Концентрований досвід людства лежить в основі будь-якого освітнього процесу. Природознавство - наука про явища і закони природи. Сучасне природознавство включає безліч природознавчих галузей: фізику, хімію, біологію, фізичну хімію, біофізику, біохімію, геохімію та ін Воно охоплює широкий спектр питань про різноманітні властивості об'єктів природи, яку можна розглядати як єдине ціле. Найважливіші досягнення природознавства складають фундаментальну базу сучасних наукоємних технологій, на основі яких виробляється різноманітна продукція, в тому числі і товари повсякденного попиту. Для того, щоб знати, якою ціною дається така продукція - найважливіша складова економіки, які перспективи розвитку сучасних технологій, тісно пов'язаних з економічними, соціальними і політичними проблемами, потрібні фундаментальні знання про природу - природничі знання. У наш час природничонаукові знання перетворилися на сферу активних дій і являють собою базовий ресурс економіки, за своєю значимістю перевершує матеріальні ресурси: капітал, землю, робочу силу і т.п. Природничонаукові знання і засновані на них сучасні технології формують новий образ життя, і високоосвічена людина не може дистанціюватися від фундаментальних знань про навколишній світ, не ризикуючи опинитися безпорадним у професійній діяльності. Якщо викладати докладно природничонаукові знання, накопичені в усіх галузях природознавства, то вийде величезний фоліант, може бути, і потрібний, але мало корисний навіть для фахівців природничого профілю, не кажучи вже про фахівців гуманітарних і соціально-економічних напрямів. Завдання викладу ускладнюється ще й тим, що його форма повинна бути доступною для студентів, чия майбутня професійна діяльність не має прямого відношення до природознавства. Для вирішення цієї досить складної задачі потрібен узагальнюючий філософський принцип. Сутність його полягає у викладі природничо-наукових знань у рамках концепцій - основоположних ідей та системного підходу. Концептуальний принцип дозволяє отримати фундаментальні, комплексні знання про природу, а на їх основі більш глибоко вивчити вузькоспеціалізовані дисципліни. Сучасні засоби природознавства дають можливість досліджувати багато складні процеси на рівні атомних ядер, атомів, молекул, клітин, а потім і синтезувати раніше не існували в природі речовини з незвичайними властивостями, а з них виробляти нові матеріали для різних машин, пристроїв, виробів і т. п. Крім того, завдяки таким дослідженням вирощуються високоврожайні культурні рослини, розробляються високоефективні засоби лікування хвороб і т.д. Будь-яке перспективний напрям діяльності людини прямо або побічно пов'язане з новою матеріальною базою та новими технологіями, і їхні знання природничо сутності - запорука успіху. Без фундаментальних знань про природу може скластися помилкове громадську думку, що приводить до необ'єктивного рішення, як це сталося, наприклад, при необгрунтованому оголошенні тимчасового (1975 - 1985 рр..) Мораторію на генну інженерію. Отже, природничо-наукові знання потрібні не тільки висококваліфікованим фахівцям, а й кожній освіченій людині незалежно від сфери його діяльності.
Співвідношення науки та інших видів духовної діяльності (мистецтва, філософії, релігії)
Фізика - основа природничих наук. Величезне зелене дерево природознавства повільно виростало з натурфілософії - філософії природи, що представляє собою умоглядне тлумачення природних явищ і процесів. - Vb . b .
Натурфілософія зароджувалася в VI - Vb. B. до н. е.. в стародавній Греції і була, по суті, першою історичною формою філософії, яка носила стихійно-матеріалістичний характер. Її основоположники - великі мислителі давнини: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Геракліт Ефеський, Діоген Аполлонійський та ін - керувалися ідеями про єдність сущого, походження всіх речей з деякого першооснови (води, повітря, вогню) і про загальну натхненність матерії. Поряд з умоглядними і певною мірою фантастичними уявленнями натурфілософія містила глибокі ідеї діалектичної трактування природних явищ. Поступальний розвиток експериментального природознавства призвело до поступового переростання натурфілософії в природничо-наукові знання. Таким чином, у надрах натурфілософії зароджувалася фізика - наука про природу, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні властивості матеріального світу. Слово «фізика» з'явилося ще в стародавні часи і в перекладі з грецького означає «природа». Натурфілософські твір давньогрецького філософа Аристотеля (384 - 322р. До н.е.), учня Платона, так і називається «Фізика». Аристотель писав: «Наука про природу вивчає переважно тіла і величини, їх властивості та види рухів, а крім того, почала такого роду буття». Повертаючись до думки, викладеної на початку, можна сказати: натурфілософія породила фізику. Однак так само безумовно можна стверджувати й інше: фізика виросла з потреб техніки (наприклад, розвиток механіки у стародавніх греків було викликано запитами будівельної та військової техніки того часу). Техніка, в свою чергу, визначає напрямок фізичних досліджень (так, завдання створення найбільш економічних теплових двигунів викликала бурхливий розвиток термодинаміки). З іншого боку, від розвитку фізики залежить технічний рівень виробництва. Фізика - основна база для створення наукоємних технологій і нових технічних засобів виробництва. Фізика тісно пов'язана і з філософією. Такі великі відкриття в галузі фізики, як закон збереження і перетворення енергії, другий початок термодинаміки, співвідношення невизначеностей та інші, були і є ареною гострої боротьби між прихильниками різних філософських течій. Наукові відкриття служать реальною грунтом для багатьох філософських думок. Вивчення відкриттів та їх філософське, концептуальне узагальнення відіграють велику роль у формуванні природничонаукового світогляду. Світогляд, що включає раціональне і ірраціональне початку, відрізняється від науки як цілеспрямованої пізнавальної діяльності. Наявність ірраціональної складової означає, що обмежити світогляд певними рамками неможливо: зокрема, не можна зробити його основою тільки одну яку-небудь філософську систему. Історія неспростовно свідчить, що будь-яка спроба здійснити таке обмеження (наприклад, визнати тільки матеріалізм як універсального світобачення, здатного замінити релігію) скінчилася невдачею. Разом з тим, повністю зводити релігію до ірраціонального, було б помилкою, оскільки вона немислима без раціональних пояснень, що лежать в основі теології (Сукупності релігійних доктрин і вчень), яка розвивається, як і будь-яка інша наука. Раціональний підхід, таким чином, розмиває межу між релігією і наукою. Відмінності між науковими та релігійними знаннями російський філософ Н.А. Бердяєв охарактеризував так: «Наукове знання - це таке знання, для досягнення якого людина використовує матеріал досвіду і закони логіки. Кожен новий елемент знання виводиться з попередніх з тією ж неминучістю, з якою поїзд проходить станції у вказаній на карті послідовності. Вчений знаходиться в «залізних лещатах» законів природи і логіки. Він вільний. Релігійне знання принципово відрізняється тим, що воно нізвідки не може бути виведено. Воно досягається в результаті раптового внутрішнього осяяння, як натхнення згори. Якщо б існування Бога можна було б довести, то релігія зникла б, оскільки вона перетворилася на звичайне наукове знання ». Проте не дивлячись на відмінності, раціональний початок науки і раціональні пояснення теології зближують наукові та релігійні знання. Раціоналізація церковної традиції завжди спрямована на відстоювання істинного змісту християнської віри від навмисних чи випадкових її спотворень, а іноді і просто від ворожих нападів.Структура наукового знання
Кожен акт пізнавального процесу включає в себе в тій чи іншій мірі як наочно-чуттєві, емпіричні, так і абстрактні, теоретичні елементи. Кожен акт живого споглядання пронизаний думкою, опосередкований поняттями, категоріями. Сприймаючи який-небудь об'єкт, ми відразу ж відносимо його до певної категорії речей, процесів. Емпіричне і теоретичне пізнання - це єдиний процес, характерний для будь-якого природно-наукового дослідження на будь-якій його стадії. Найважливішими методами природничо-наукового дослідження є спостереження й експеримент. Спостереження - навмисне, планомірне сприйняття, здійснюване з метою виявити суттєві властивості об'єкта пізнання. Спостереження відноситься до активної форми діяльності, спрямованої на певні об'єкти і яка передбачає формулювання цілей і завдань. Спостереження вимагає спеціальної підготовки - попереднього ознайомлення з матеріалами, які належать до об'єкта майбутнього спостереження: з малюнками, фотографіями, описом предметів, вимір і т.п. Експеримент - метод, або прийом, дослідження, за допомогою якого об'єкт або відтворюється штучно, або ставлять у заздалегідь певні умови. Метод зміни умов, в яких знаходиться досліджуваний об'єкт, - це основний метод експерименту. Зміна умов дозволяє розкрити причинну залежність між заданими умовами та характеристиками досліджуваного об'єкта і одночасно виявити ті нові властивості об'єкта, які не виявляються безпосередньо в звичайних умовах, простежити характер зміни спостережуваних властивостей у зв'язку зі зміною умов. Експеримент, таким чином, не зводиться до простого спостереження - він активно втручається в реальність, змінює умови протікання процесу. Експеримент і спостереження дають величезну різноманітність даних, часом не узгоджених між собою і навіть суперечливих. Головне завдання теоретичного мислення - привести отримані дані в струнку систему і створити з них наукову картину світу, позбавлену логічного протиріччя. Важливою формою теоретичного мислення є гіпотеза - припущення, що виходить з ряду фактів і допускає існування об'єкта, його властивостей, певних відносин. Гіпотеза вимагає перевірки та докази, після чого вона набуває характеру теорії. Теорія - система узагальненого знання, пояснення тих чи інших сторін навколишнього світу. Емпіричне пізнання констатує, як відбувається подія. Теоретичне пізнання відповідає на питання, чому воно виникає саме таким чином. Емпіричне пізнання обмежується описом, фіксацією результатів спостереження і експерименту за допомогою відповідних засобів запису інформації, таблиць, схем, графіків, кількісних показників і т.п. Опис фіксує і організовує факти, дає їх якісну та кількісну характеристику, вводить факти в систему вироблених в даній науці понять, категорій, готує фактичний матеріал для пояснення. Теоретичне пізнання - це перш за все пояснення причини явищ. Це передбачає з'ясування внутрішніх протиріч речей, передбачення ймовірного і необхідного настання подій і тенденції їх розвитку. Кожен об'єкт, що вивчається характеризується безліччю властивостей і пов'язаний безліччю ниток з іншими об'єктами. У процесі природно-наукового пізнання виникає необхідність сконцентрувати увагу на одній будь-якій стороні чи властивості досліджуваного об'єкта і відволіктися від ряду інших його якостей чи властивостей. Абстрагування - мислене виділення будь-якого предмета, відособлено від його зв'язків з іншими предметами, якої-небудь властивості предмета у відверненні від інших його властивостей, будь-якого відношення предметів у відверненні від самих предметів. Абстрагування - це рух думки вглиб предмета, виділення його істотних елементів. Важливим прийомом природничо-наукового пізнання світу є ідеалізація як специфічний вид абстрагування. Ідеалізація - це розумове освіту абстрактних об'єктів, що не існують і не здійсненних у дійсності, але для яких є прообрази в реальному світі. Ідеалізація - це процес утворення понять, реальні прототипи яких можуть бути зазначені лише з тією чи іншою мірою наближення. Приклади ідеалізованих понять: «точка», тобто об'єкт, який не має ні довжини, ні висоти, ні ширини; «пряма лінія», «коло», «точковий електричний заряд», «ідеальний газ», «абсолютно чорне тіло» та ін Введення в природничонауковий процес дослідження ідеалізованих об'єктів дозволяє здійснити побудову абстрактних схем реальних процесів, що необхідно для більш глибокого проникнення в закономірності їх перебігу. Аналогія як метод найчастіше застосовується в теорії подібності, на якій засновано моделювання. У сучасній науці і техніці дедалі більшого поширення набуває метод моделювання, сутність якого полягає у відтворенні властивостей об'єкта пізнання на спеціально влаштованому його аналогу - моделі. Якщо модель має з оригіналом однакову фізичну природу, то ми маємо справу з фізичним моделюванням. Модель може будуватися за принципом математичного моделювання, якщо вона має іншу природу, але її функціонування описується системою рівнянь, тотожною тій, яка описує досліджуваний оригінал. В якості методу природничо дослідження індукцію можна визначити як процес виведення загального положення з нагляду ряду приватних одиничних фактів. Зазвичай розрізняють два основних види індукції: повну і неповну. Повна індукція - висновок будь-якого загального судження про всі об'єкти деякого безлічі на підставі розгляду кожного об'єкту даної множини. Сфера застосування такої індукції обмежена об'єктами, число яких звичайно. На практиці частіше застосовується форма індукції, яка передбачає виведення про всі об'єкти множини на підставі пізнання лише частини об'єктів. Такі висновки неповної індукції часто носять імовірнісний характер. Неповна індукція, заснована на експериментальних дослідженнях і включає теоретичне обгрунтування, здатна давати достовірне висновок. Вона називається наукової індукцією. Дедукція - це процес аналітичного міркування від загального до приватного або менш загального. Початком (посилками) дедукції є аксіоми, постулати чи просто гіпотези, що мають характер загальних тверджень, а кінцем - наслідки з посилок, теорем. Якщо посилки дедукції істинними, то правдиві та її наслідки. Дедукція - основний засіб докази. Застосування дедукції дозволяє вивести з очевидних істин знання, які вже не можуть з безпосередньою ясністю осягатися нашим розумом, проте представляються в силу самого способу їх отримання цілком обгрунтованими і тим самим достовірними. Дедукція, що проводиться за суворими правилами, не може приводити до помилок.
Основні етапи еволюції європейського природознавства
Фізика - основа природничих наук. Всю історію розвитку фізики можна умовно розділити на три основних етапи: докласичній фізики; класичної фізики; постклассической фізики. Перший етап розвитку фізики - етап докласичній фізики - іноді називають донаукових - природознавство повільно виростало з натурфілософії - філософії природи, що представляє собою умоглядне тлумачення природних явищ і процесів .. в. до н. э.) до конца XVI в.
Цей етап - найтриваліший: він охоплює період від часів Аристотеля (IV ст. До н. Е..) До кінця XVI ст. Етап докласичній фізики відкриває геоцентрична система світових сфер Аристотеля. Майже півтори тисячі років відділяє завершену геоцентричну систему від досить досконалою геліоцентричної системи польського математика і астронома Миколи Коперника. У центрі геліоцентричної системи знаходиться не Земля, а Сонце. Вершина геліоцентричної системи - закони руху планет, відкриті німецьким астрономом Йоганна Кеплера. Астрономічні відкриття Галілео Галілея, його фізичні експерименти і фундаментальні закони механіки, сформульовані Ісааком Ньютоном, поклали початок етапу класичної фізики, який не можна відокремити чіткої кордоном від першого етапу, відбулося відділення фізики від філософії, фізика перетворюється в самостійні науки, виявляються фундаментальні закони природи, фізика стає емпіричною наукою. Початок другого етапу - етапу класичної фізики - пов'язують з роботами італійського вченого Галілео Галілея, одного із засновників точного природознавства, і працями англійського математика, механіка, астронома і фізика Ісаака Ньютона, основоположника класичної фізики. в. Другий етап тривав близько трьох століть до кінця XIX ст. Етап класичної фізики характеризується великими досягненнями не тільки в класичній механіці, але і в інших галузях: термодинаміці, молекулярної фізики, оптики, електриці, магнетизм і т. п. Назвемо найважливіші з них: встановлено досвідчені газові закони; запропоновано рівняння кінетичної теорії газів; сформульовано принцип рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи, перше і друге початку термодинаміки; відкриті закони Кулона, Ома та електромагнітної індукції; розроблена електромагнітна теорія; явища інтерференції, дифракції і поляризації світла отримали хвильове тлумачення; сформульовані закони поглинання і розсіювання світла. в. До початку XX ст. отримані експериментальні результати, важко в рамках класичних знань. Тому було запропоновано абсолютно новий підхід - квантовий, заснований на дискретній концепції. Квантову гіпотезу вперше ввів у 1900 р. німецький фізик Макс Планк, який увійшов в історію розвитку фізики як один з основоположників квантової теорії. З введенням квантової концепції починається третій етап розвитку фізики - етап сучасної фізики, що включає не тільки квантові, але й класичні уявлення. Характерна особливість етапу постклассической фізики (перша половина 20 ст.) Полягає в тому, що поряд з класичними розвиваються квантові уявлення, фізика досліджує мікросвіт. На підставі квантової механіки пояснюються багато мікропроцеси, що відбуваються в межах атома, ядра і елементарних частинок - з'явилися нові галузі сучасної фізики: квантова електродинаміка, квантова теорія твердого тіла, квантова оптика і багато інших. в. У перші десятиліття XX ст. досліджувалася радіоактивність і висувалися ідеї про будову атомного ядра. У 1938р. зроблено важливе відкриття: німецькі радіохіміки О. Ган і Ф. Штрассман виявили ділення ядер урану при опроміненні їх нейтронами. Це відкриття сприяло бурхливому розвитку ядерної фізики, створення ядерної зброї та народженню атомної енергетики. в. Одне з найбільших досягнень фізики XX ст. - Це, безумовно, створення в 1947р. транзистора видатними американськими фізиками Д. Бардіним, У. Браттейном і У. Шоклі. З розвитком фізики напівпровідників і створенням транзистора зароджувалася нова технологія - напівпровідникова, а разом з нею і перспективна, бурхливо розвивається галузь природознавства - мікроелектроніка. в. З другої половини XX ст. можна розглядати постнекласичний період розвитку фізики, коли на основі отриманих знань формується нова наука-синергетика-природні явища розглядаються як складні системи.Проблема існування в математиці. Значення математики для розвитку природознавства
Потреба вивчення математики в більшості випадків обумовлюється практичною діяльністю і прагненням людини пізнати навколишній світ. У той же час, іноді до пізнання математики ваблять і суб'єктивні спонукання. Про один з них Сенека писав: «Олександр, цар Македонський, почав вивчати геометрію, - нещасний! - Тільки з тим, щоб дізнатися, як мала земля, чию мізерну частину він захопив. Нещасним я називаю його тому, що він повинен був зрозуміти хибність свого прізвиська, бо чи можна бути великим на незначному просторі ». Виникає питання: чи може серйозний природодослідник обійтися без глибокого пізнання премудростей математики? Відповідь дещо несподіваний: так, може. Однак до нього слід додати: тільки у винятковому випадку. І ось що підтверджує приклад. Чарлз Дарвін, узагальнюючи результати власних спостережень і досягнення сучасної йому біології, розкрив основні фактори еволюції органічного світу. Причому він зробив це, не спираючись на добре розроблений до того часу математичний апарат, хоч і високо цінував математику: «... в останні роки я глибоко жалкував, що не встиг ознайомитися з математикою, принаймні настільки, щоб розуміти що-небудь в її великих керівних засадах; так, засвоїли їх справляють враження людей, що володіють одним органом чуття більше, ніж прості смертні ». Можна навести не один приклад зародження з математичних ідей наукомістких технологій і був нових галузей промисловості - перш за все авіаційної і космічної. Російські вчені Н.Є. Жуковський (1847 - 1921) і С.А. Чаплигін (1869 - 1942) математично обгрунтували підйомну силу крила літака і створили підвалини аеродинаміки, а видатні наші співвітчизники-конструктори А. М. Туполеев (1888-1972), СВ. Ільюшин (1894-1977), А.С. Яковлєв (1906-1989), Н.І. Камов (1902-1973), М.Л. Міль (1909-1970) та інші створили унікальну авіаційну техніку. Основоположником сучасної космонавтики є російський вчений і винахідник К.Е. Ціолковський (1857 - 1935), вперше теоретично обгрунтував можливість польоту в космос і запропонував ідеї створення ракетно-космічної техніки, в тому числі і математичні розрахунки швидкості польоту ракети, що сприяло успішному розвитку вітчизняної космонавтики.
Найпростіші в сучасному розумінні математичні початку, що включають елементарний арифметичний рахунок і найпростіші геометричні вимірювання, є відправною точкою природознавства. «Той, хто хоче вирішити питання природничих наук без допомоги математики, ставить нездійсненне завдання. Слід вимірювати те, що вимірюється, і робити вимірним те, що таким не є », - стверджував видатний італійський фізик і астроном, один з основоположників природознавства Галілео Галілей (1564 - 1642). У своєму творі «пробірних справ майстер» (1623) він аргументовано протиставляв довільні «філософські» міркування єдино істинною натуральної філософії, доступною лише знають математику: «Філософія написана у величній книзі (я маю на увазі Всесвіт), яка постійно відкрита для нашого погляду, але зрозуміти її може лише той, хто спочатку навчиться осягати її мову і тлумачити знаки, якими вона написана. Написана вона на мові математики, і знаки її - трикутники, кола та інші геометричні фігури, без яких людина не змогла б зрозуміти в ній жодного слова, а без них він був би приречений блукати в пітьмі по лабіринту ». Основу природничо-наукових теорій становить математичний опис зі стрункою логічною структурою. Розглянемо характерний приклад логічного доказу, що дозволяє зробити правильний висновок, навіть не звертаючись до експерименту як необхідного елементу природничо істини. Доказ стосується того, що всі тіла падають з однаковою швидкістю. Воно викладено Галілеєм в книзі «Бесіди і математичні докази, що стосуються нових галузей науки» (1638). Спростовуючи твердження Аристотеля (що в той час було актом величезного мужності) про те, що більш важкі тіла падають з більшою швидкістю, ніж легкі, Галілей подає таке міркування. Припустимо, Аристотель прав, і більш важке тіло падає швидше. Скріпимо два тіл - легке і важке. Важке тіло, прагнучи падати швидше, буде прискорювати легке, а легке, прагнучи рухатися повільніше важкого, буде його гальмувати. Тому скріплене тіло буде рухатися з проміжною швидкістю. Але воно важче, ніж кожна з його частин, і повинно рухатися не з проміжною швидкістю, а зі швидкістю більшою, ніж швидкість більш тяжкої його частини. Виникло протиріччя, а, значить, вихідне припущення невірно. Наведений приклад ілюструє, наскільки сильна логіка міркувань, притаманна, як правило, математичного доказу. Але те, що ми називаємо об'єктивною реальністю, в кінцевому рахунку, є те, що зрозуміло кільком мислячим істотам і могло б бути зрозуміло всім. Цією спільною стороною, як ми побачимо, може бути тільки гармонія, що виражається математичними законами.
Поняття фізичної реальності (мікросвіт, макросвіт, мегасвіт). Типи фізичних взаємодій
Найважливіша властивість матерії - її структурна і системна організація, яка виражає впорядкованість існування матерії у вигляді величезного розмаїття матеріальних об'єктів різних масштабів і рівнів, пов'язаних між собою єдиною системою ієрархії. Безпосередньо спостережувані нами тіла складаються з молекул, молекули - з атомів, атом - з ядер і електронів, атомні ядра - з нуклонів, нуклони - з кварків. Сьогодні прийнято вважати, що електрони і гіпотетичні частинки кварки не містять більш дрібних частинок. У сучасному природознавстві безліч матеріальних систем прийнято умовно ділити на мікросвіт, макросвіт і мегасвіт. До мікросвіту відносяться молекули, атоми і елементарні частинки. Матеріальні об'єкти, що складаються з величезного числа атомів і молекул, утворюють макросвіт. Найбільшу систему матеріальних об'єктів становить мегасвіт - світ планет, зірок, галактик і Всесвіту. Матеріальні системи мікро-, макро-і мегасвіту розрізняються між собою розмірами, характером домінуючих процесів і законами, яким вони підпорядковуються. Найважливіша концепція сучасного природознавства полягає в матеріальну єдність всіх систем мікро-, макро-і мегасвіту. Можна говорити про єдину матеріальній основі походження всіх матеріальних систем на різних стадіях еволюції Всесвіту.
Величезна різноманітність природних систем і структур, їх особливості та динамізм обумовлюються взаємодією матеріальних об'єктів, тобто їх взаємним дією один на одного. Саме взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія, як і рух, універсально, тобто притаманне всім матеріальним об'єктам незалежно від їх природи походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів. Взаємодіючі об'єкти обмінюються енергією та імпульсом - основними характеристиками їх руху. Спостережувані в природі взаємодії матеріальних об'єктів і систем дуже різноманітні. Однак, як показали фізичні дослідження, всі взаємодії можна віднести до чотирьох видів фундаментальних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильному і слабкому. Гравітаційна взаємодія проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу. , прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, и помноженное на G - гравитационная постоянная.
Воно передається за допомогою гравітаційного поля і визначається фундаментальним законом природи - закону всесвітнього тяжіння, сформульованим І. Ньютоном: між двома матеріальними точками масою т 1 і т 2, розташованими на відстані г один від одного, діє сила F, прямо пропорційна добутку їх мас і назад пропорційна квадрату відстані між ними, і помножене на G - гравітаційна постійна. Законом всесвітнього тяжіння описується падіння матеріальних тіл у полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок і т.п. Відповідно до квантової теорії поля переносниками гравітаційної взаємодії є Гравітон - частинки з нульовою масою, кванти гравітаційного поля. Електромагнітна взаємодія обумовлено електричними зарядами і передається за допомогою електричного і магнітного полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне - при їх русі. Змінюється магнітне поле породжує змінне електричне поле, яке, у свою чергу, є джерелом змінного магнітного поля. Завдяки електромагнітного взаємодії існують атоми і молекули, відбуваються хімічні перетворення речовини. Різні агрегатні стани речовини, тертя, пружність і т.п. визначаються силами міжмолекулярної взаємодії, електромагнітними за своєю природою. Відповідно до квантової електродинаміки, переносниками електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля з нульовою масою. У багатьох випадках вони реєструються приладами у вигляді електромагнітної хвилі різної довжини. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Воно визначається ядерними силами, що володіють зарядовим незалежністю, короткодіючі, насиченням та іншими властивостями. Сильна взаємодія відповідає за стабільність атомних ядер. Чим сильніше взаємодія нуклонів у ядрі, тим стабільніше ядро, тим більше його питома енергія зв'язку. Передбачається, що сильна взаємодія передається глюонами - частинками, «склеюють» кварки, що входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок. У слабкій взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, взаємодія нейтрино з речовиною та інші процеси. Слабка взаємодія проявляється головним чином у процесах бета-розпаду атомних ядер багатьох ізотопів, вільних нейтронів і т. д. Прийнято вважати, що переносниками слабкої взаємодії є Віона - частинки з масою приблизно в 100 разів більшої маси протонів і нейтронів.Механістична картина світу
Згідно Ньютону, весь світ складається «з твердих, вагомих, непроникних, рухливих часток». Ці «первинні частинки абсолютно тверді: вони незмірно більш тверді, ніж тіла, які з них складаються, настільки тверді, що вони ніколи не зношуються і не розбиваються вщент». Відрізняються вони один від одного головним чином кількісно, своїми масами. Все багатство, все якісне різноманіття світу - це результат відмінностей у русі частинок. Внутрішня сутність частинок залишається на другому плані.
Підставою для такої єдиної картини світу послужив всеосяжний характер відкритих Ньютоном законів руху тіл. Цим законам з дивовижною точністю підпорядковуються як величезні небесні тіла, так і дрібні піщинки, гнані вітром. І навіть вітер - рух не видимих оком часток повітря - підпорядковується тим же законам. Протягом довгого часу вчені були упевнені, що єдиними фундаментальними законами природи є закони механіки Ньютона. Класична механіка Ньютона зіграла і грає до сих пір величезну роль у розвитку природознавства. Вона пояснює безліч фізичних явищ і процесів у земних і позаземних умовах, складає основу багатьох технічних досягнень. На її фундаменті формувалися природно-наукові методи досліджень у різних галузях природознавства. в.
Аж до початку XX ст. в науці панувало механістичне світогляд: всі явища природи можна пояснити рухами частинок та тіл. У 1667г. Ньютон сформулював три фундаментальні закону класичної механіки.Перший закон Ньютона: будь-яка матеріальна точка (тіло) зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху до тих пір, поки вплив з боку інших тіл не змусить її змінити цей стан. Прагнення тіла зберегти стан спокою або рівномірного прямолінійного руху називається інертністю або інерцією. Тому перший закон Ньютона іноді називають законом інерції. Другий закон Ньютона: прискорення, що купується матеріальної точкою (тілом), пропорційно викликає його силі і обернено пропорційно масі матеріальної точки (тіла). Прискорення характеризує швидкість зміни швидкості руху тіла. Маса - одна з основних характеристик матеріальних об'єктів, визначає їх інерційні (інертна маса) і гравітаційні (важка або гравітаційна маса) властивості. Сила - це векторна величина, міра механічної дії на тіло з боку інших тіл або полів, в результаті якого тіло набуває прискорення або змінює свою форму і розміри. Другий закон Ньютона справедливий лише в інерціальних системах відліку. Перший закон Ньютона можна отримати з другого. Дійсно, у випадку рівності нулю равнодействующих сил (при відсутності впливу на тіло з боку інших тіл) прискорення також дорівнює нулю. Проте перший закон Ньютона розглядається як самостійний закон, а не як наслідок другого закону, оскільки саме він стверджує існування інерціальних систем відліку. 12 - сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F 21 - сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой.
Взаємодія між матеріальними точками (тілами) визначається третім законом Ньютона: усяка дія матеріальних точок (тіл) один на одного носить характер взаємодії; сили, з якими діють один на одного матеріальні точки, завжди рівні за модулем, протилежно спрямовані і діють вздовж прямої, що з'єднує ці точки, де F 12 - сила, діюча на першу матеріальну точку з боку другої; F 21 - сила, діюча на другу матеріальну точку з боку першою. Ці сили прикладені до різних матеріальних точок (тіл), завжди діють парами і є силами однієї природи. Третій закон Ньютона дозволяє здійснити перехід від динаміки окремої матеріальної точки до динаміки системи матеріальних точок, що характеризуються парним взаємодією. Закони Ньютона дозволяють вирішити багато завдань механіки - від простих до складних. Спектр таких завдань значно розширився після розробки Ньютоном і його послідовниками нового для того часу математичного апарату - диференціального й інтегрального числення, широко застосовуваного в даний час для вирішення різних завдань природознавства і математики.Електромагнітна картина світу
Проста механічна картина світу виявилася не спроможною. При дослідженні електромагнітних процесів з'ясувалося, що вони не підкоряються механіці Ньютона. Довгий час вважалося, що електрика і магнетизм мають різну природу (електрічесвто обумовлено електричними зарядами, магнетизм-магнітними). Ампер довів зворотне-природа обох єдина. Фарадей виявив існування магнітного поля, яке зумовлене рухом електричного заряду. Зміни у вихровому полі ведуть до змін у магнітному полі і навпаки. Максвелл створив електро-магнітну теорію-полі це частина простору, що включає в себе тіла, що знаходяться в електричному або магнітному стані. Після створення електродинаміки подання про сили істотно змінилися. Герц виявив існування нових видів хвиль, ці хвилі здатні розповсюджуватися у вакуумі, далі з'ясувалося, що це електромагнітні волниКаждое з взаємодіючих тіл створює електромагнітне поле, яке з кінцевою швидкістю розповсюджується в просторі. Взаємодія здійснюється за допомогою цього поля (теорія блізкодействія). Електромагнітні сили надзвичайно широко поширені в природі. Вони діють в атомному ядрі, атомі, молекулі, між окремими молекулами в макроскопічних тілах. Це відбувається тому, що до складу всіх атомів входять електрично заряджені частинки. Дія електромагнітних сил виявляється і на дуже малих відстанях (ядро), і на космічних (електромагнітне випромінювання зірок). Розвиток електродинаміки призвело до спроб побудувати єдину електромагнітну картину світу. Всі події у світі згідно цій картині управляються законами електромагнітних взаємодій. Однак звести всі процеси в природі до електромагнітних не вдалося. Рівняння руху частинок і закон гравітаційної взаємодії не можуть бути виведені з теорії електромагнітного поля. Крім того, були відкриті електрично нейтральні частинки і нові типи взаємодії. Природа виявилася складніше, ніж припускали спочатку: жоден закон руху, ні єдина сила не здатні охопити всього різноманіття процесів у світі.
Квантово-релятивістська картина світу
Передумовами до її створення були: відкриття фотоефекту, радіоактивності і мікросвіту (світ елементарних частинок). Фотоефект-випускання речовиною електронів під дією електромагнітного випромінювання (в 1887р. Виявлено Герцем). З точки зору Максвелла це явище пояснити не вдалося, тому що за його теорії електрон повинен накопичити енергію виходу (інакше витратити на цей час), досвід же показав, що цього не відбувається. Стало ясно, що необхідні інші теорії. Макс Планк запропонував квантову гіпотезу-світло випромінюється не безперервно, а порціями (квантами). На основі цієї гіпотези Ейнштейн створив квантову теорію світла-світло це потік квантів, фотонів, за допомогою чого був пояснений фотоефект-фотон випускається і поглинається як ціле, електрон запозичує енергію фотона, тому фотоефект відбувається миттєво. в., благодаря счастливой случайности, произошло открытие радиоактивности - явления, доказывающего сложный состав атомного ядра.
В кінці XIX ст., Завдяки щасливому випадку, відбулося відкриття радіоактивності - явища, що доводить складний склад атомного ядра. Згадаймо, що рентгенівські промені вперше були отримані при зіткненнях швидких електронів зі скляною стінкою розрядної трубки. Одночасно спостерігалося світіння стінок трубки. Беккерель довгий час досліджував споріднене явище - світіння речовин, попередньо опромінених сонячним світлом. До таких речовин належать, зокрема, солі урану, з якими експериментував Беккерель. І ось у нього виникло питання: чи не з'являються після опромінення солей урану поряд з видимим світлом і рентгенівські промені? Беккерель загорнув фотопластинку в щільну чорний папір, поклав зверху крупинки уранової солі і виставив на яскраве сонячне світло. Після прояви платівка почорніла на тих ділянках, де лежала сіль. Отже, уран створював якесь випромінювання, яке, подібно рентгенівському, пронизує непрозорі тіла і діє на фотопластинку. Беккерель думав, що це випромінювання виникає під впливом сонячних променів. Але одного разу, в лютому 1896 р., провести черговий досвід йому не вдалося через хмарної погоди. Беккерель прибрав платівку в ящик столу, поклавши на неї зверху мідний хрест, покритий сіллю урану. Проявивши про всяк випадок платівку два дні по тому, він виявив на ній почорніння у формі виразною тіні хреста. Це означало, що солі урану мимоволі, без впливу зовнішніх чинників створюють якийсь випромінювання. Почалися інтенсивні дослідження. Після відкриття радіоактивних елементів почалося дослідження фізичної природи їх випромінювання. Крім Беккереля та подружжя Кюрі, цим зайнявся. Резерфорд. Класичний досвід, що дозволив виявити складний склад радіоактивного випромінювання, полягав у наступному. Препарат радію містився на дно вузького каналу в шматку свинцю. Проти каналу містилася фотопластинка. На виході з каналу випромінювання діяло сильне магнітне поле, перпендикулярне до променя. Вся установка розміщувалася у вакуумі. У відсутність магнітного поля на фотопластинці після прояву виявлялося одна темна пляма, що точно проти каналу. У магнітному полі пучок розпадався на три пучки. Дві складові первинного потоку відхилялися в протилежні сторони. Це вказувало на наявність у цих випромінювань електричних зарядів протилежних знаків. При цьому негативне компонент випромінювання відхилявся магнітним полем, набагато більше, ніж позитивний. Третя складова не відхилялася магнітним полем. Позитивно заряджений компонент отримав назву альфа-променів, негативно заряджений - бета-променів і нейтральний - гамма-променів. Ці три види випромінювання дуже сильно відрізняються один від одного за проникаючої здатності, тобто по тому, наскільки інтенсивно вони поглинаються різними речовинами. Наіменьшей проникаючої здатністю мають альфа-промені. Шар папери товщиною близько 0,1 мм для них вже непрозорий. Якщо прикрити отвір у свинцевій пластинці листочком паперу, то на фотопластинці не виявиться плями, відповідного альфа-випромінювання. Набагато менше поглинаються при проходженні через речовину бета-промені. Алюмінієва платівка повністю їх затримує тільки при товщині в кілька міліметрів. Найбільшою проникаючої здатністю мають гамма-промені. За своїми властивостями гамма-промені дуже сильно нагадують рентгенівські, але тільки їх проникаюча здатність набагато більше, ніж у рентгенівських променів. Це наводить на думку, що гамма-промені є електромагнітні хвилі. З самого початку альфа-і бета-промені розглядалися як потоки заряджених частинок. Найпростіше було експериментувати з бета-лучам.і, так як вони сильно відхиляються як в магнітному, так і в електричному полі. При дослідженні відхилення бета-частинок в електричних і магнітних полях було встановлено, що вони являють собою не що інше, як електрони, які рухаються зі швидкостями, дуже близькими до швидкості світла. Найважче виявилося з'ясувати природу альфа-часток, так як вони слабо відхиляються магнітним і електричним полями. Остаточно це завдання вдалося вирішити Резерфорду. частицы к ее массе m по отклонению в магнитном поле. Він виміряв відношення заряду q частинки до її маси m по відхиленню в магнітному полі. Воно виявилося приблизно в два рази менше, ніж у протона - ядра атома водню. Заряд протона дорівнює елементарного, а його маса дуже близька до атомної одиниці маси. Отже, у альфа-частинки на один елементарний заряд доводиться маса, рівна двом атомним одиницям маси. Отже, на два елементарних заряду припадає чотири атомних одиниці маси. Такий же заряд і таку ж відносну атомну масу має ядро гелію. З цього випливає, що альфа-частинки - це ядро атома гелію (Або відповідно його часу-іон атома гелію). Не задовольняючись досягнутим результатом, Резерфорд потім ще прямими дослідами довів, що при радіоактивному альфа-розпаді утворюється гелій. Збираючи альфа-частинки всередині спеціального резервуара протягом декількох днів, Резерфорд за допомогою спектрального аналізу переконався в тому, що в посудині накопичується гелій (кожна альфа-частинки захоплювала два електрони і перетворювалася на атом гелію).Простір і час у класичній механіці Ньютона і в теорії відносності Ейнштейна
Класичний принцип відносності був сформульований ще Г. Галілеєм: "Якщо закони механіки справедливі в одній системі координат, то вони справедливі і в будь-якій іншій системі, що рухається прямолінійно і рівномірно щодо першої". З принципу відносності випливає, що між спокоєм і рухом-якщо воно рівномірно і прямолінійно-немає ніякої принципової різниці. Різниця тільки в точці зору. Такі системи називаються інерційних, оскільки рух в них підкоряється закону інерції, що свідчить: "Всяке тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо тільки вона не змушене змінити його під впливом сил, що рухаються". Розкриваючи суть простору і часу, Ньютон пропонує розрізняти два види понять: абсолютні (справжні, матеріалістичні) і відносні (що здаються, повсякденні) і дає їм наступну типологічну характеристику: "Абсолютна, істинне, матеріалістичне час саме по собі і своїй сутності, без жодного відношення до будь-чого зовнішнього, протікає рівномірно й інакше називається тривалістю. Відносне, що здається, або повсякденне, час є або точна, або мінлива, осягається почуттями зовнішня міра тривалості, що вживається в повсякденному житті замість істинного математичного часу, як то: годину, день, місяць, рік ...». Абсолютна простір по своїй суті, не пов'язане з об'єктами, поміщеними в нього, і безвідносно до чого б то не було зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносне простір є міра або будь-яких обмежена рухома частина, яка визначається нашими почуттями за положенням його відносно деяких тіл, і яке у повсякденному житті приймається за простір нерухоме. Час і простір складають як би вмістилища самих себе і всього існуючого. При такому розумінні абсолютний простір і час представлялися деякими самодостатніми елементами буття, існуючими поза і незалежно від будь-яких матеріальних процесів, як універсальні умови, в які поміщена матерія. У Ньютона абсолютний простір і час є ареною руху фізичних об'єктів. Спеціальна теорія відносності, створена в 1905р. А. Ейнштейном, стала результатом узагальнення і синтезу класичної механіки Галелея-Ньютона та електродинаміки Максвелла-Лоренца. "Вона описує закони всіх фізичних процесів при швидкостях руху, близьких до швидкості світла, але без урахування поля тяжіння. При зменшенні швидкостей руху вона зводиться до класичної механіки, яка, таким чином, виявляється її окремим випадком ". У відповідності зі спеціальною теорією відносності, яка об'єднує простір і час в єдиний чотиривимірний просторово-часової континуум, просторово-часові властивості тіл залежать від швидкості їх руху. Просторові розміри скорочуються в напрямку руху при наближенні швидкості тіл до швидкості світла у вакуумі (300 000 км / с), тимчасові процеси сповільнюються в бистродвіжущихся системах, маса тіла збільшується. Рух світла принципово відрізняється від руху всіх інших тіл, швидкість яких менше швидкості світла. Швидкість цих тіл завжди складається з іншими швидкостями. У цьому сенсі швидкості відносні: їх величина залежить від точки зору. А швидкість світла не складається з іншими швидкостями, вона абсолютна, завжди одна й та сама, і, говорячи про неї, нам не потрібно вказувати систему відліку. Абсолютність швидкості світла не суперечить принципу відносності і повністю сумісна з ним. Сталість цієї швидкості-закон природи, а тому-саме відповідно до принципу відносності-він справедливий в усіх інерціальних системах відліку. Швидкість світла одна і та ж у всіх тілах, що рухаються по відношенню один до одного рівномірно і прямолінійно. Світло проходить з незмінною швидкістю, приблизно рівної 300000 км / сек., Повз нерухомого тіла, повз тіла, що рухається назустріч світлу, повз тіла, яке світло доганяє. Далі Ейнштейн розглядає відносність довжин і проміжків часу, що приводить його до висновку про те, що поняття одночасності позбавлене сенсу: "Дві події, одночасні при спостереженні з однієї координатної системи, вже не сприймаються як одночасні при розгляді з системи, що рухається щодо даної". Основною відмінністю спеціальної теорії відносності від попередніх теорій є визнання простору і часу в якості внутрішніх елементів руху матерії, структура яких залежить від природи самого руху, є його функцією. У підході Ейнштейна простору і часу додаються нові властивості: відносність довжини і тимчасового проміжку, рівноправність простору і часу. Якби існувала миттєва передача імпульсів і взагалі сигналів, то ми могли б говорити про дві події, що відбулися одночасно, тобто відрізняються тільки просторовими координатами. Зв'язок між подіями була б фізичним прообразом чисто просторових тривимірних геометричних співвідношень. Теорія Ейнштейна виходить з обмеженості і відносності тривимірного, чисто просторового уявлення про світ і запроваджує більш точне просторово-часове представлення. З точки зору теорії відносності в картині світу повинні фігурувати чотири координати і повинна відповідати чотиривимірні геометрія.
11. Моделі будови атома (Модель Томсона, модель Резерфорда, модель Бора)
Не відразу вчені прийшли до правильних уявлень про будову атома. Перша модель атома була запропонована англійським фізиком Томсоном, який відкрив електрон. На думку Томсона, позитивний заряд атома займає весь об'єм атома і розподілений в цьому обсязі з постійною щільністю. Найпростіший атом - атом водню - являє собою позитивно заряджену кулю, усередині якого знаходиться електрон. У більш складних атомів в позитивно зарядженому кулі знаходиться кілька електронів. Проте модель атома Томсона опинилася в повному протиріччі з дослідами з дослідження розподілу позитивного заряду в атомі. Досліди, проведені вперше великим англійським фізиком Ернестом Резерфордом, зіграли настільки велику роль в розумінні будови атома. З дослідів Резерфорда безпосередньо випливає планетарна модель атома. У центрі розташовано позитивно заряджене атомне ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. У цілому атом нейтральний. Тому число внутрішньоатомних електронів, як і заряд ядра, так само порядковому номеру елемента в періодичній системі. Ясно, що спочивати електрони всередині атома не можуть, так як вони впали б на ядро. Вони рухаються навколо ядра, подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Такий характер руху електронів визначається дією кулонівських сил з боку ядра. Послідовної теорії атома Бор, однак, не дав. Він у вигляді постулатів сформулював основні положення нової теорії. Причому і закони класичної фізики не відкидалися їм беззастережно. Нові постулати швидше накладали лише деякі обмеження на допустимі класичної фізикою руху. Успіх теорії Бора був тим не менш вражаючим, і всім ученим стало ясно, що Бор знайшов правильний шлях розвитку теорії. Цей шлях привів згодом до створення стрункої теорії руху мікрочастинок - квантової механіки. Перший постулат Бора говорить: атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, чи квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія, в стаціонарному стані атом не випромінює. Відповідно до другого постулату Бора при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітної енергії. Випромінювання відбувається при переході атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією. Поглинання атомом енергії супроводжується переходом атома зі стану з меншою енергією в стан з більшою енергією.
12. Місце фізики в системі природознавства
Природознавство - наука про явища і закони природи. Сучасне природознавство включає безліч природно-наукових галузей: фізику, хімію, біологію, фізичну хімію, біофізику, біохімію, геохімію та ін Воно охоплює широкий спектр питань про різноманітні властивості об'єктів природи, яку можна розглядати як єдине ціле. Величезне зелене дерево природознавства повільно виростало з натурфілософії - філософії природи, що представляє собою умоглядне тлумачення природних явищ і процесів. - Vb . b .
Натурфілософія зароджувалася в VI - Vb. B. до н.е. У стародавній Греції в іонійської школі і була, по суті, першою історичною формою філософії, яка носила стихійно-матеріалістичний характер. Її основоположники - великі мислителі давнини: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Геракліт Ефеський, Діоген Аполлонійський та ін - керувалися ідеями про єдність сущого, походження всіх речей з деякого першооснови (води, повітря, вогню) і про загальну натхненність матерії. Інтерес до природи як об'єкту пізнання викликав новий розквіт натурфілософії в епоху Відродження, який пов'язаний з працями відомих мислителів - Дж. Бруно, Б. Телезіо, Т. Кампанелла та ін Пізніше натурфілософські погляди, засновані на об'єктивно-ідеалістичної діалектики природи як живого організму розвивалися німецьким філософом Ф. Шеллінгом (1775 - 1854) і його послідовниками. Поряд з умоглядними і певною мірою фантастичними уявленнями натурфілософія містила глибокі ідеї діалектичної трактування природних явищ. Поступальний розвиток експериментального природознавства призвело до поступового переростання натурфілософії в природно-наукові знання. Таким чином, у надрах натурфілософії зароджувалася фізика - наука про природу, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні властивості матеріального світу. Фізика складає основу природознавства. Відповідно до різноманіттям досліджуваних форм матерії і її руху вона поділяється на фізику елементарних часток, ядерну фізику, фізику плазми і т. д. На її стику з іншими природничими науками виникли біофізика, астрофізика, геофізика, фізична хімія та ін Фізика знайомить нас з найбільш загальними законами природи, керуючими перебігом процесів в навколишньому світі й у Всесвіті в цілому. Мета фізики полягає в знаходженні загальних законів природи і в поясненні конкретних процесів на їх основі. У міру просування до цієї мети перед вченими поступово вимальовувалася велична і складна картина єдності природи. Світ представляє собою не сукупність розрізнених, незалежних один від одного подій, а різноманітні і численні прояви одного цілого.13. Сутність принципів додатковості, невизначеності, відповідності
Для опису мікрооб'єктів Н. Бор сформулював у 1927р. принцип додатковості: отримання експериментальної інформації про одні фізичних величинах, що описують мікрооб'єкт (елементарну частинку, атом, молекулу), неминуче пов'язане з втратою інформації про деяких інших величинах, додаткових до перших. Такими взаімнодополнітельнимі величинами можна вважати, наприклад, координату частинки та її швидкість (або імпульс). З фізичної точки зору принцип додатковості часто пояснюють впливом вимірювального приладу (мікроскопічного об'єкта) на стан мікрооб'єктів. При точному вимірі (мається на увазі вимір в межах помилки експерименту) однієї з додаткових величин (наприклад, координати частинки) за допомогою відповідного приладу інша величина (імпульс) в результаті взаємодії частинки з приладом зазнає повністю неконтрольоване зміна. З позиції квантової теорії роль приладу у вимірах полягає в «приготуванні» деякого стану системи. Стани, в яких взаємно додаткові величини мали б одночасно точно певні значення, принципово неможливі, причому якщо одна з таких величин точно визначена, то значення іншої невизначені. Таким чином, фактично принцип додатковості відображає об'єктивні властивості квантових систем, не пов'язані з спостерігачем.
У класичній механіці всяка частинка рухається по певній траєкторії, так що в будь-який момент часу можна визначити її координату і імпульс. Мікрочастинки через наявність у них хвильових властивостей істотно відрізняються від класичних частинок. Одне з основних відмінностей - не можна говорити про рух мікрочастинки по певній траєкторії і про значення її координати та імпульсу, одночасно певних із заданою точністю. Це випливає з корпускулярно-хвильового дуалізму. Так, поняття «довжина хвилі в даній точці» позбавлене фізичного змісту, а оскільки імпульс виражається через довжину хвилі, то мікрочастинка з певним імпульсом має невизначену координату. І навпаки, якщо мікрочастинка знаходиться в стані з певним значенням координати, то її імпульс невизначений. Німецький фізик В. Гейзенберг (1901 - 1976), враховуючи хвильові властивості мікрочастинок і пов'язані з хвильовими властивостями обмеження в їх поведінці, прийшов у 1927р. до висновку: будь-який об'єкт мікросвіту неможливо одночасно із заданою наперед точністю характеризувати і координатою, і імпульсом. Він сформулював принцип невизначеності: мікрочастинка (мікрооб'єкт) не може мати одночасно певну координату х і певний імпульс р.
У становленні квантово-механічних уявлень важливу роль зіграв висунутий Н. Бором у 1923р. принцип відповідності: будь-яка нова більш загальна теорія, що є розвитком класичної, не відкидає її повністю, а включає в себе класичну теорію, вказуючи межі її застосування, причому в певних граничних випадках нова теорія переходить в стару. Так, формули кінематики і динаміки релятивістської механіки переходять при швидкостях, багато менших швидкості світла у вакуумі, у формули механіки Ньютона. Хвильовими властивостями володіють всі тіла, проте для макроскопічних тіл ними можна знехтувати, тобто для них застосовна класична механіка.
14. Основні теорії виникнення життя
Найбільш відомими до цього часу теоріями виникнення життя на Землі є наступні.
Креаціонізм. Відповідно до цієї теорії життя було створене надприродною істотою-Богом у певний час. Цього погляду дотримуються послідовники майже всіх релігійних навчань. Іншими словами, Біблія не відповідає на питання «яким чином?» І «коли?», А відповідає на питання «чому?». У широкому сенсі креаціонізм допускає, таким чином, як створення світу в його закінченому вигляді, так і створення світу, еволюціонує за законами, заданими Творцем. Процес божественного створення світу мислиться як мав місце лише раз і тому недоступний для спостереження.
Мимовільне зародження. Відповідно до цієї теорії життя виникало і виникає неодноразово з неживої речовини. Ця теорія була поширена в Стародавньому Китаї, Вавилоні, Єгипті. Аристотель, якого часто називають засновником біології дотримувався теорії самовільного зародження життя. Він вважав, що «.. живе може виникати не тільки шляхом спарювання тварин, але й розкладанням грунту.». З поширенням християнства ця теорія виявилася в одній проклятої церквою «обоймі» з окультизмом, магією, астрологією, хоча і продовжувала існувати десь на задньому плані, поки не була спростована експериментально в 1688г. італійським біологом і лікарем Франческо Реді. Принцип «Живе виникає тільки з живого» отримав у науці назву Принципу Реді. Так складалася концепція біогенезу, згідно з якою життя може виникнути тільки з попереднього життя.
Теорія панспермії. Відповідно до цієї теорії життя була занесена на Землю ззовні, тому її, по суті, не можна вважати теорією виникнення життя як такий. Вона не пропонує ніякого механізму для пояснення первинного виникнення життя, а просто переносить проблему походження життя в якесь інше місце Всесвіту.
Теорія біохімічної еволюції. Життя виникло в специфічних умовах стародавньої Землі в результаті процесів, що підкоряється фізичним та хімічним законам. Остання теорія відображає сучасні природничі погляди і тому буде розглянута докладніше. Згідно з даними сучасної науки вік Землі становить приблизно 4,5-5 млрд. років. У далекому минулому умови на Землі докорінно відрізнялися від сучасних, що обумовило певне протягом хімічної еволюції, яка стала передумовою для виникнення життя. Іншими словами, власне біологічної еволюції передувала предбіотичною еволюція, пов'язана з переходом від неорганічної матерії до органічної, а потім до елементарних форм життя. Це було можливим у певних умовах, які мали місце на Землі в той час, а саме: · висока температура, близько 4000ОС, · атмосфера, що складається з водяної пари, СО2, СН3, NH3, · присутність сірчистих сполук (вулканічна активність), · висока електрична активність атмосфери, · ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке безперешкодно досягало нижніх шарів атмосфери і поверхні Землі, оскільки озоновий шар ще не сформувався. Слід підкреслити одне з найважливіших відмінностей теорії біохімічної еволюції від теорії самовільного (спонтанного) зародження, а саме: згідно цієї теорії життя виникла в умовах, які для сучасної біоти непридатні!
Гіпотеза Опаріна-Холдейна. У 1923р. з'явилася знаменита гіпотеза Опаріна, який зводився до наступного: перші складні вуглеводні могли виникати в океані з більш простих сполук, поступово накопичуватися і проводити до виникнення «первинного бульйону». Ця гіпотеза швидко набула ваги теорії. Треба сказати, що подальші експериментальні дослідження свідчили про правомірність таких припущень. Так в 1953 р. С. Міллер, змоделювавши передбачувані умови древньої Землі (висока температура, ультрафіолетова радіація, електричні розряди) синтезував в лабораторних умовах 15 амінокислот, що входять до складу живого, деякі прості цукри (рибоза). Пізніше були синтезовані прості нуклеїнові кислоти (Орджел). (Англійський вчений Холдейн (Кембриджський університет) у 1929р. Опублікував свою гіпотезу, згідно з якою, живе також з'явилося на Землі в результаті хімічних процесів в багатій діоксидом вуглецю атмосфері Землі, і перші живі істоти були, можливо, «величезними молекулами».
Гіперциклу і зародження життя. Процес виникнення живих клітин тісно пов'язаний із взаємодією нуклеотидів (нуклеотиди - елементи нуклеїнових кислот-цитозин, гуанін, тимін, аденін), які є матеріальними носіями інформації, і протеїнів (поліпептидів), службовців каталізаторами хімічних реакцій. У процесі взаємодії нуклеотиди під впливом протеїнів відтворюють самих себе і передають інформацію наступного за ними протеїну, так що виникає замкнута автокаталітіческій ланцюг, яку М. Ейген назвав гіперциклу. У ході подальшої еволюції з них виникають перші живі клітини, спочатку без'ядерні (прокаріоти), а потім з ядрами-еукаріоти. Тут, як бачимо, простежується логічний зв'язок між теорією еволюції каталізаторів і уявленнями про замкнутої автокаталітіческій ланцюга. У ході еволюції принцип автокаталізу доповнюється принципом самовідтворення цілого циклічно організованого процесу в гіперциклу, запропонованого М. Ейген. Відтворення компонентів гіперциклу, так само як і їх об'єднання в нові гіперциклу, супроводжується посиленням метаболізму, пов'язаного з синтезуванням високоенергетичних молекул і виведенням як «покидьків» бідних енергією молекул. (Тут цікаво відзначити особливості вірусів як проміжної форми між життям і нежиттям: вони позбавлені здатності до метаболізму і, проникаючи в клітини, починають користуватися їх метаболічної системою). Отже, за Ейген відбувається конкуренція гіперциклу, чи циклів хімічних реакцій, які приводять до утворення білкових молекул. Циклу, які працюють швидше і ефективніше, ніж інші, «перемагають» в конкурентній боротьбі. Таким чином, концепція самоорганізації дозволяє встановити зв'язок між живим і неживим в ході еволюції, так що виникнення життя видається аж ніяк не суто випадковою і вкрай малоймовірною комбінацією умов і передумов для її появи.
15. Особливості розвитку хімії
У міру розвитку хімії формувалися багато її галузі: органічна хімія, фізична хімії, аналітична хімія та ін На стику хімічних та інших галузей природознавства з'явилися біохімія, агрохімія, геохімія і т. д. Результати хімічних досліджень складають основу багатьох сучасних технологій. В останні десятиліття завдяки відкриттю нових явищ і ефектів, насамперед фізичних, і створення на їх основі високочутливих приладів (електронних мікроскопів, спектроскопів, мас-спектрометрів і ін) з'явилася реальна можливість проводити експериментальні хімічні дослідження на молекулярному рівні. Такі дослідження дозволили розкрити механізм багатьох процесів в живому організмі, синтезувати не існують в природі речовини з незвичайними властивостями, встановити складну структуру молекули ДНК, розшифрувати молекулярний генний механізм спадковості і багато іншого. Молекулярний рівень експериментальних досліджень дозволяє створювати не тільки надміцні, надпровідні та інші матеріали з новими властивостями, але і проводити операції з фрагментами ДНК, змінюючи її генетичний код. Сьогодні вже говорять про конструювання пристроїв з окремих молекул і створення молекулярного комп'ютера, що володіє надзвичайно великими можливостями.
16. Основні положення синергетики
Синергетика вивчає зв'язки між елементами (підсистемами) структури, які утворюються у відкритих системах (біологічних, фізико-хімічних та ін) завдяки інтенсивному обміну речовиною та енергією з навколишнім середовищем у нерівноважних умовах. У відкритих системах можливо узгоджена поведінка підсистем, в результаті чого зростає ступінь упорядкованості - зменшується ентропія. Основа синергетики - термодинаміка нерівноважних процесів, теорія випадкових процесів, теорія нелінійних коливань і хвиль. Об'єкт вивчення синергетики, незалежно від його природи, повинен задовольняти трьом умовам: відкритості, істотною нерівноважності та скачкообразному виходу з критичного стану. Відкритість означає незамкнутість системи, для якої можливий обмін енергією і речовиною з навколишнім середовищем. Істотна неравновесность призводить до критичного стану, що супроводжується втратою стійкості системи. У результаті стрибкоподібного виходу з критичного стану утворюється якісно новий стан з більш високим рівнем впорядкованості. Характерний приклад самоорганізовується - оптичний квантовий генератор - лазер. При його роботі виконуються три перерахованих умови: відкритість системи, наданої ззовні енергією, її сугуба нерівноважності, досягнення критичного рівня накачування, при якому виникає впорядковане, монохроматичне випромінювання. Складна нерівноважна система може перейти з нестійкого стану в одне з декількох стійких. У який саме з них здійсниться перехід - справа випадку. У системі, що перебуває в критичному стані, розвиваються сильні флуктуації, і одна з них ініціює стрибок в конкретний стійкий стан. Процес стрибка незворотній. Критична точка, в якій найбільш вірогідний перехід у новий стан, називається точкою біфуркації.
Природознавство і глобальні проблеми сучасності
Людство не може (і не повинно) відмовитися від сучасної цивілізації - джерела благополуччя і комфортних умов життя, і в той же час створює несприятливі флуктуації, здатні підштовхнути біосферу на перехід, що виключає можливість існування в ній людини. На жаль, деякі подібні флуктуації поки ще до кінця не виявлені, що ускладнює визначення способів їх придушення. Однак цілком зрозуміло, що екологічні проблеми можна вирішувати тільки спільними зусиллями всіх країн і народів. Немає сумнівів, що знадобляться усвідомлені людьми обмежувальні заходи: зниження споживання енергії, організація більш економного ведення промислового виробництва, скорочення видобутку і споживання найважливіших корисних копалин. Необхідно, крім того, змінити ставлення людини до тваринного та рослинного світу планети, усвідомити демографічні проблеми і зробити багато чого іншого. Успішне розв'язання всієї сукупності виникають екологічних та інших проблем неможливо без наукового передбачення результатів будь природопреобразующей та соціальної діяльності людей, а також без створення налагодженої системи управління і контролю при проведенні в життя розроблюваних заходів. Наукове передбачення передбачає знання алгоритму поведінки системи при дії на неї керуючих і збурюючих факторів. Для порівняно простих систем, які мають лінійним відгуком на впливи, отримати такий алгоритм не становить труднощів. Гірше йде справа з системами, стан яких визначається великою кількістю незалежних параметрів і параметрів зі складним характером взаємозв'язків. І ще гірше, коли складна система - нелінійна і описується функціями з розривами. А біосфера і її підсистеми належать саме до систем такого типу, завдання управління якими поки не вирішуються, але активно ведеться пошук шляхів їх вирішення. Швидше за все, первинне завдання наукового управління буде полягати в тому руйнування біосфери на стадії її переходу в ноосферу, у боротьбі з екологічною катастрофою. Це стане можливим лише за умови глобального охоплення основних сфер людської діяльності системами передбачення, управління і контролю.