и форматирование Янко yanko [email protected] || http...

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 1

Сканирование и форматирование: Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] || [email protected] || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Библиотека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Номера страниц - внизу update 19.11.06

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Т.Я.ДУБНИЩЕВА

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по социально-экономическим специальностям

5-е издание, переработанное и дополненное

Москва

2003

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608 с.

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


УДК 50(075.8) ББК 20я73 Д79 Рецензенты: акад. В.М. Титов (Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева Сибирского отделения РАН); проф. С. М. Репинский (Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН); проф. П. Е. Твердохлеб (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН) Дубнищева Т.Я. Д79 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608 с. ISBN 5-7695-0999-6 В пособии через научные картины мира и программы гармонично согласованы вопросы истории науки и культуры с вопросами развития естественных наук. При изложении материала использованы системный подход, идеи синергетики и глобального эволюционизма, что способствует формированию целостного мировоззрения. Основные понятия, концепции и законы даны в развитии, показана независимость процесса познания, дающая навыки самостоятельных суждений и способствующая развитию ассоциативного мышления и формированию творческой личности. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по социально-экономическим специальностям. УДК 50(075.8) ББК 20я73 ISBN 5-7695-0999-6 © Дубнищева Т.Я., 2003 © Издательский центр «Академия», 2003



Электронное оглавление

Contents Электронное оглавление ..............................................................................................................................3 ВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................................................9 Глава 1. ЛОГИКА ПОЗНАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК .........................12

1.1. Наука — часть культуры ..................................................................................................................................................... 12 1.2. Формирование критерия научности ................................................................................................................................... 15 1.3. Методы естествознания, всеобщность его законов. Системный подход........................................................................ 17

Научный метод ............................................................................................................................................................ 18 Теории — основная форма научного знания. ........................................................................................................... 18 В описательных теориях............................................................................................................................................. 18 Понятия и термины ..................................................................................................................................................... 18 Наблюдения ................................................................................................................................................................. 18 Как метод научного познания анализ........................................................................................................................ 18 Эксперимент ................................................................................................................................................................ 19 Создание моделей ....................................................................................................................................................... 19 Обращение к теории ................................................................................................................................................... 19 Рис. 1.1. Модель научной теории в виде многослойной оболочки (наружная — непрерывно расширяющаяся сфера предсказаний, внутренняя — фундаментальные принципы)................................................................... 20

Системный подход...................................................................................................................................................... 20 1.4. Понятия «научная программа» и «научная картина мира».............................................................................................. 22

Научная картина мира (НКМ).................................................................................................................................... 22 Механическая картина мира (МКМ) ......................................................................................................................... 23 Электромагнитная картина мира (ЭКМ)................................................................................................................... 23 Квантово-полевая картина мира (КПКМ)................................................................................................................. 24 Современная, эволюционная картина мира.............................................................................................................. 24

1.5. Математическая научная программа в развитии .............................................................................................................. 24 1.6. Понятия «научная парадигма» и «научная революция» .................................................................................................. 25

Научные парадигмы.................................................................................................................................................... 25 1.7. Оценки научных успехов и достижений............................................................................................................................ 27 1.8. Современная научно-техническая революция: достижения и проблемы....................................................................... 28

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................... 30 Глава 2. ПОНЯТИЯ ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ И МАТЕРИИ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ .................................................................................................................................31

2.1. Понятие «пространство» ..................................................................................................................................................... 31 2.2. Масштабы расстояний во Вселенной. Методы оценок размеров и расстояний ............................................................ 33

Геоцентрическая система Мира (Солнечной системы) ........................................................................................... 34 Гелиоцентрическая система (от греч. helios — солнце) .......................................................................................... 34 Рис. 2.1. Определение размеров Земли по Эратосфену ....................................................................................... 34

Параллакс — угловое смещение предмета, которым можно характеризовать расстояние до него.................... 35 Рис. 2.2. Метод триангуляции:............................................................................................................................... 36

2.3. Понятие «время» в своем развитии .................................................................................................................................... 38 Пространственно-временной континуум.................................................................................................................. 38 Свойства пространства-времени в ОТО.................................................................................................................... 39 Рис. 2.3. Экспериментальные подтверждения теории относительности, приведшие к изменению свойств времени и пространства: ........................................................................................................................................ 40

2.4. Временные масштабы во Вселенной. Методы измерения времени ................................................................................ 40 Сутки ............................................................................................................................................................................ 40 Рис. 2.4. Схема суточного и годового движения Солнца (плоскость горизонта проведена для наблюдателя средних широт Северного полушария) ................................................................................................................. 41

Секунда ........................................................................................................................................................................ 41 Календарем .................................................................................................................................................................. 42 Возраст Вселенной всего лишь в 2,5 раза превышает возраст Солнца.................................................................. 44

2.5. Структурные уровни организации материи ...................................................................................................................... 45 Молекула ..................................................................................................................................................................... 45 Атом ............................................................................................................................................................................. 45 Микромир — мир очень малых микрообъектов, размеры которых от 10-10 до 10-18 м, а время жизни может быть до 10-24 с. ............................................................................................................................................................. 45



Макромир — это мир объектов, соизмеримых с человеческим опытом. Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до сотен километров— от секунд до лет. ................................................................................. 46

2.6. Понятие «поле». Уравнения Максвелла. Свет — электромагнитная волна ................................................................... 46 Поле.............................................................................................................................................................................. 46 Рис. 2.6. Электромагнитное поле:.......................................................................................................................... 47

Световая волна — это волна электромагнитная, ..................................................................................................... 48 Плотность потока энергии в волне, ........................................................................................................................... 48 Импульс электромагнитной волны............................................................................................................................ 49

2.7. Типы фундаментальных взаимодействий в физике.......................................................................................................... 49 Гравитация (от лат. gravitas — тяжесть) — исторически первое исследованное взаимодействие. .................... 50 Электромагнитное взаимодействие,.......................................................................................................................... 50 Сильные и слабые ядерные взаимодействия ............................................................................................................ 51

2.8. Попытки построения Теории Всего Сущего ..................................................................................................................... 51 Теория квантовой гравитации должна была соединить ОТО и квантовую механику.......................................... 53 Теории супергравитации ............................................................................................................................................ 53 Теория суперструн ...................................................................................................................................................... 53

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................... 55 Глава 3. МИРОЗДАНИЕ В СВЕТЕ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИСТИЧЕСКОЙ ПАРАДИГМЫ..........................................................................................................................................................................56

3.1. Модель материальной точки и законы классической механики...................................................................................... 56 3.2. Масса инертная и гравитационная. Принцип эквивалентности ...................................................................................... 58 3.3. Движения планет и законы Кеплера .................................................................................................................................. 59

Рис. 3.1. Схемы, поясняющие первый (а) и второй (б) законы Кеплера............................................................ 60 3.4. Закон всемирного тяготения ............................................................................................................................................... 61

Рис. 3.2. Орбита кометы Галлея............................................................................................................................. 61 3.5. Связь законов сохранения со свойствами пространства и времени ................................................................................ 63 3.6. Колебания и волны в природе и их описание. Гармонический осциллятор................................................................... 66

Рис. 3.3. Модель математического маятника........................................................................................................ 66 Рис. 3.4. Схема образования стоячей волны ......................................................................................................... 68

3.7. Распространение звука в средах и реакция организма на звуковые волны .................................................................... 69 3.8. Волновое описание процессов. Типы и свойства волн. Спектр и его анализ................................................................. 71

Рис. 3.5. Схема принципа Гюйгенса (если ширина щели велика по сравнению с длиной падающей волны, то она проходит через нее без искажений; влияние дифракции больше заметно у краев щели) ......................... 72 Рис. 3.6. Схема, поясняющая эффект Доплера ..................................................................................................... 73

3.9. Эффект Доплера, его исследование и значение для науки .............................................................................................. 73 Рис. 3.7. Колебания блеска цефеид........................................................................................................................ 75 Рис. 3.8. Красное смещение в спектрах далеких галактик (к пояснению закона Хаббла) ............................... 76

3.10. Явление резонанса. Резонансы в движении планет ........................................................................................................ 76 Рис. 3.9. Схема, поясняющая образование для земного наблюдателя фаз Венеры, открытых М.В.Ломоносовым: ................................................................................................................................................. 77

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................... 77 Глава 4. КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ .................................................................................................................................................79

4.1. Теплота, температура и механический эквивалент теплоты............................................................................................ 79 Рис. 4.1. Сравнение температурных шкал Фаренгейта, Цельсия и Кельвина ................................................... 80 Рис. 4.2. Схема опытов Джоуля: ............................................................................................................................ 81

4.2. Понятие «внутренняя энергия». Первое начало термодинамики .................................................................................... 81 4.3. Преобразование тепловой энергии в механическую работу............................................................................................ 83

Рис. 4.3. Схема работы тепловой машины:........................................................................................................... 84 4.4. Понятие «энтропия». Суть спора о «тепловой смерти Вселенной»................................................................................ 85 4.5. Начала термодинамики. Энтропия и вероятность. Принцип Больцмана........................................................................ 87 4.6. Микро- и макропеременные в описании систем. Основные модели .............................................................................. 89 4.7. Основные положения молекулярно-кинетической теории и эмпирические газовые законы ....................................... 90

Рис. 4.4. График зависимости объема газа от температуры, экстраполированный к точке, в которой объем был бы равен нулю.................................................................................................................................................. 91

4.8. Связь параметров газа с его микроструктурой. Распределение Максвелла ................................................................... 91 Рис. 4.5. Распределение молекул по скоростям при температурах Т1 Т2, Т3...................................................... 92

4.9. Распределение частиц газа во внешнем поле и в атмосферах планет ............................................................................. 93 Число Авогадро ........................................................................................................................................................... 94

4.10. Понятие «флуктуация» и точность измерений................................................................................................................ 95 4.11. Процессы обратимые и необратимые. Принцип локального равновесия..................................................................... 95

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................... 98 Глава 5. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ МАТЕРИИ .....................................................................................................................................................99

5.1. Ограниченность законов классической оптики. Измерение скорости света .................................................................. 99



Рис. 5.1. Камера обскура и ход лучей в ней........................................................................................................ 100 Рис. 5.2. Схема получения голограммы: а — по методу Габора; б — по методу Денисюка (отражательная голограмма) ........................................................................................................................................................... 101 Рис. 5.3. Схема измерения скорости света.......................................................................................................... 102

5.2. Волновые свойства света. Спектр электромагнитного излучения ................................................................................ 103 Рис. 5.4. Схема спектра электромагнитных волн ............................................................................................... 105

5.3. Явление дисперсии сред и доказательство материального единства мира .................................................................. 105 5.4. Законы теплового излучения, кризис классической теории и появление квантовой гипотезы.................................. 107

Рис. 5.5. Спектры излучения абсолютно черного тела при разных температурах (интенсивность — в относительных единицах) .................................................................................................................................... 108 Рис. 5.6. Ультрафиолетовая катастрофа в теории теплового излучения:......................................................... 109

5.5. Открытие электрона и радиоактивности. Рождение представлений о сложном строении атома .............................. 109 5.6. Планетарная модель строения атома. Современная наука и постулаты Бора.............................................................. 112

Рис. 5.7. Спектральные серии атома водорода: .................................................................................................. 113 Рис. 5.8. Схема строения атома углерода: планетарная модель (а) и относительные размеры ядра и атома (б)................................................................................................................................................................................ 114

5.7. Корпускулярные свойства света. Фотоны Эйнштейна и доказательство их реальности ............................................ 115 Рис. 5.9. Схема эффекта Комптона ...................................................................................................................... 116

5.8. Поглощение и испускание квантов света. Спонтанное и вынужденное излучения .................................................... 116 Рис. 5.10. Схема получения вынужденного излучения ..................................................................................... 118

5.9. Корпускулярно-волновые свойства вещества и значение их открытия........................................................................ 118 Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 119

Глава 6. КОНЦЕПЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И СТРУКТУР В МИКРОМИРЕ........................120 6.1. Описание движения микрочастиц. Принципы дополнительности и причинности ..................................................... 120

Волновая механика ................................................................................................................................................... 120 Матричная механика................................................................................................................................................. 121 Квантовая механика .................................................................................................................................................. 121

6.2. Принципы соответствия и неопределенности. Роль прибора и процесса измерения в квантовой механике............ 123 6.3. Строение химических элементов и понимание Периодической таблицы Менделеева............................................... 125

Рис. 6.1. К пояснению понятия спина электрона ............................................................................................... 126 6.4. Радиоактивные элементы и возможности превращения элементов.............................................................................. 128

Рис. 6.2. Диаграмма, иллюстрирующая правила смещений атомов при радиоактивных превращениях (по оси ординат — массы атомов, по оси абсцисс — порядковый номер элемента)............................................ 129 Рис. 6.3. Схема ядерного распада ........................................................................................................................ 132

6.5. Представления о строении атомного ядра ....................................................................................................................... 134 Рис. 6.4. Зависимость удельной энергии связи от атомной массы ................................................................... 135

6.6. Элементарные частицы и проблема поиска «первичных объектов»............................................................................. 137 Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 139

Глава 7. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К МАКРОМИРУ)......140 7.1. Представление о строении молекул ................................................................................................................................. 140

Рис. 7.1. Ионная связь на примере структуры молекулы NaCl:........................................................................ 141 Рис. 7.2. Примеры химических связей: ............................................................................................................... 142

7.2. Развитие представлений о составе веществ. Законы стехиометрии.............................................................................. 143 7.3. Развитие структурной химии ............................................................................................................................................ 146

Рис. 7.3. Первые три молекулы ряда углеродных молекул с линейными цепочками: ................................... 146 7.4. Строение веществ в разных агрегатных состояниях ...................................................................................................... 148

Рис. 7.4. Структура одного из типов кристаллов льда....................................................................................... 150 Рис. 7.5. Структура графита ................................................................................................................................. 150

7.5. Строение и свойства металлов.......................................................................................................................................... 152 Таблица 7.1. Удельная теплоемкость с некоторых металлов при комнатной температуре ........................... 153 Рис. 7.6. Пример потенциальной ямы для электрона в твердом теле............................................................... 153 Рис. 7.7. Энергетические зоны в металле (а) и образование зон при сближении атомов (б) ......................... 154 Рис. 7.8. Схема связи ширины запрещенной зоны и электрических свойств кристалла в металле (а), полупроводнике (б) и диэлектрике (в) ................................................................................................................ 155

7.6. Структура и уникальные свойства воды.......................................................................................................................... 156 Рис. 7.9. Вода в различных фазах ........................................................................................................................ 156 Рис. 7.10. Структура молекулы воды .................................................................................................................. 157 7.7. Строение и свойства атома углерода, определившие его роль в природе ................................................ 157 Рис. 7.11. Схема соединения атомов углерода друг с другом в органических молекулах:............................ 159

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 160 Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ПРОЦЕССОВ И ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ..................161

8.1. Химический катализ и методы управления химическими процессами ........................................................................ 161 (1)............................................................................................................................................................................ 161 (2)............................................................................................................................................................................ 161 (3)............................................................................................................................................................................ 162 (4)............................................................................................................................................................................ 162



8.2. Цепные реакции и свободные радикалы.......................................................................................................................... 164 8.3. Особенности растворения в воде различных веществ.................................................................................................... 165

Рис. 8.1. Тройная точка воды ............................................................................................................................... 166 Аномальность свойств воды .................................................................................................................................... 166 Рис. 8.2. Водородные связи в молекуле воды:.................................................................................................... 167 Рис. 8.3. Шкала кислотности (щелочности) некоторых жидкостей ................................................................. 167

Химические свойства воды ...................................................................................................................................... 168 8.4. Процессы диффузии и осмоса, их роль в клеточных мембранах .................................................................................. 169

Рис. 8.4. Примеры необратимых процессов: ...................................................................................................... 170 8.5. Понятия фазы и фазового перехода. Фазовые переходы первого и второго рода ....................................................... 171 8.6. Сверхтекучесть и сверхпроводимость ............................................................................................................................. 174

Современная теория сверхпроводимости ............................................................................................................... 177 8.7. Возникновение самоорганизации в неравновесных системах. Понятие обратных связей ......................................... 177

Рис. 8.5. Ячеистая структура жидкости при неустойчивости в ячейке Бенара ............................................... 178 Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 179

Глава 9. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР В МИРЕ ЗВЕЗД....................................................................................................................180

9.1. Строение типичной звезды. Источники энергии Солнца и звезд .................................................................................. 180 Рис. 9.1. Схема внутреннего строения Солнца с распределением температур внутри него: ......................... 181

Магнитные поля играют на Солнце существенную роль...................................................................................... 181 Рис. 9.2. Схема синтеза гелия из атомов водорода ............................................................................................ 183

9.2. Звезды, их характеристики и эволюция ........................................................................................................................... 184 Светимость звезды .................................................................................................................................................... 185 Рис. 9.3. Схема распространенности химических элементов во Вселенной ................................................... 185

Спектральные классы ввел в 1900 г. американский астроном Э.Пикеринг, обозначив их буквами латинского алфавита. .................................................................................................................................................................... 186 Рис. 9.4. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела (спектр — светимость) ............................................................ 186

Главная последовательность .................................................................................................................................... 187 Рис. 9.5. Схема возможного эволюционного трека звезды с массой, несколько большей массы Солнца ... 187

Масса звезды ............................................................................................................................................................. 187 Рис. 9.6. Распределение физических характеристик звезд и звездной эволюции ........................................... 188 Рис. 9.7. Эволюция звезд, типы ядерных реакций в них и распределение химических элементов (характеристика «металличности» звезд) ........................................................................................................... 189

9.3. Переменные звезды и их эволюция. Конечные стадии эволюции звезд и Солнца...................................................... 189 9.4. Галактика, ее форма и строение. Солнечная система в Галактике................................................................................ 192

Рис. 9.8. Схема положения Солнечной системы в Галактике (отмечено крестиком):.................................... 193 Рис. 9.9. Подсистемы Галактики: ........................................................................................................................ 193

9.5. Многообразие мира галактик. Содержание и значение закона Хаббла ........................................................................ 195 Рис. 9.10. Местная группа галактик .................................................................................................................... 195 Рис. 9.11. Галактики:............................................................................................................................................. 196

Черные дыры ............................................................................................................................................................. 199 9.6. Сценарий стационарной Вселенной и «Космология Большого Взрыва» ..................................................................... 199

Рис. 9.12. Схемы, поясняющие модель Большого Взрыва (1—4 — стадии развития взрыва)....................... 201 9.7. Рождение частиц по современной модели развития Вселенной ................................................................................... 202 9.8. Модель инфляционной Вселенной. Возникновение во Вселенной крупномасштабных неоднородностей.............. 203

Рис. 9.13. Инфляционная модель развития Вселенной — последовательность событий в очень ранней Вселенной .............................................................................................................................................................. 205

Глава 10. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР В МИРЕ ПЛАНЕТ...............................................................................................................208

10.1. Элементы планетной космогонии .................................................................................................................................. 208 Рис. 10.1. Формирование планет из протосолнечной туманности ................................................................... 210

10.2. Формирование малых тел Солнечной системы, Луны и Земли. Движения Земли, строение геосфер и изучение процессов ................................................................................................................................................................................... 212 10.3. Распространенность и круговороты химических элементов на Земле ....................................................................... 216

Рис. 10.2. Относительная распространенность химических элементов в Солнечной системе в зависимости от порядкового номера ......................................................................................................................................... 217 Рис. 10.3. Схема внутреннего строения Земли с указанием ведущих химических элементов в каждой оболочке................................................................................................................................................................. 218

10.4. Модели появления геологических структур на поверхности Земли ........................................................................... 220 Рис. 10.4. Геохимические циклы Земли: ............................................................................................................. 221 Рис. 10.5. Схема глобальной тектоники Земли (движение вещества показано стрелками) ........................... 225

10.5. Геохронологическая шкала эволюции Земли................................................................................................................ 225 Рис. 10.6. Биогеологическая история Земли ....................................................................................................... 226

10.6. Самоорганизация при образовании планет и взаимодействии геосфер...................................................................... 228 Рис. 10.7. Земля как большой магнит (траектории заряженных частиц показаны штриховыми линиями, магнитные силовые линии — сплошными)........................................................................................................ 229



Рис. 10.8. Наглядное представление системы Солнце — межпланетная среда — Земля .............................. 230 Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 232

Глава 11. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ, СВОЙСТВА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ .......................................................................................233

11.1. Общая характеристика науки о живом и развитие традиционной биологии ............................................................. 233 11.2. Основные свойства живой материи ............................................................................................................................... 236 11.3. Уровни организации живой природы на Земле............................................................................................................. 238 11.4. Молекулярно-генетический уровень организации живой материи. Строение и структура макромолекул белков 240

Рис. 11.1. Схема упорядочения структуры белка — свертывание в глобулу .................................................. 242 11.5. Установление строения и структуры молекул ДНК и РНК ......................................................................................... 243

Рис. 11.2. Структурные формулы пуринов и пиримидинов:............................................................................. 243 11.6. Молекулярные механизмы генетической репродукции, синтеза белка и изменчивости .......................................... 245

Рис. 11.3. Репликация молекулы ДНК ................................................................................................................ 247 Рис. 11.4. Схема биосинтеза белка: ..................................................................................................................... 248 Рис. 11.5. Процесс транскрипции: синтез РНК на ДНК-матрице ..................................................................... 249 Рис. 11.6. Получение и клонирование рекомбинантной ДНК .......................................................................... 251 Рис. 11.7. Основные этапы передачи генетической информации..................................................................... 253

11.7. Молекулярный механизм процессов обмена веществ и энергии ................................................................................ 254 Рис. 11.9. Схема, поясняющая функции процесса дыхания (высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма и образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются другие соединения) ........................................................................................................................................................... 256

АТФ — это аденозинтрифосфат .............................................................................................................................. 256 Лизосомы ................................................................................................................................................................... 257

11.8. Молекулярные основы воспроизведения генетической информации и осуществления связи между клетками.... 257 Митоз (от греч. mitos — нить) ................................................................................................................................. 257 Рис. 11.10. Схема регулирования жизнедеятельности животных центральной нервной системой и гормональными механизмами ............................................................................................................................. 259

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 260 Глава 12. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ. КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИОННОЙ БИОЛОГИИ .........................................................................................................261

12.1. Основные положения клеточной теории, методы изучения состава клетки .............................................................. 261 Клетка......................................................................................................................................................................... 261 Клеточная теория, или цитология (от греч. kytos... — сосуд, клетка),.................................................................. 261 Рис. 12.1. Схема деятельности основных структурных компонентов клетки ................................................. 262

Размеры клеток.......................................................................................................................................................... 262 Рис. 12.2. Специализация различных клеток:..................................................................................................... 263

12.2. Строение и функции основных органелл клетки .......................................................................................................... 265 Рис. 12.3. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения Ηλ в зависимости от длины волны (а):................................................................................................................................................................................ 266 На рис. 12.3, а, б, в ................................................................................................................................................ 266

12.3. Функции клеточных мембран. Работа «ионного насоса» ............................................................................................ 268 Рис. 12.4. Схема работы ионного насоса через клеточные мембраны ............................................................. 268

12.4. Процессы фотосинтеза и клеточного дыхания.............................................................................................................. 269 Рис. 12.5. Распределение мощности солнечного излучения, падающего на Землю ....................................... 270 Рис. 12.6. Роль растений в процессе фотосинтеза .............................................................................................. 270 Рис. 12.7. Механизмы фотосинтеза растений: цепь переноса электрона с образованием АТФ и НАДФ+Н и углеродный цикл ................................................................................................................................................... 271 Рис. 12.8. Продукты световых и темновых реакций фотосинтеза .................................................................... 272 Рис. 12.9. Схема управляющих механизмов клетки .......................................................................................... 274

12.5. Формирование идей эволюции в биологии ................................................................................................................... 274 12.6. Понятие о неодарвинизме и синтетической теории эволюции.................................................................................... 277 12.7. Понятия микро- и макроэволюции. Естественный отбор — направляющий фактор эволюции .............................. 279 12.8. Основные гипотезы происхождения живого................................................................................................................. 281

Рис. 12.10. Схема, показывающая возможные пути происхождения жизни ................................................... 282 12.9. Концепция происхождения живого по гипотезе Опарина—Холдейна....................................................................... 284

Рис. 12.11. Схема опыта Миллера по синтезу органических веществ из смеси метана, аммиака и воды при искровом разряде .................................................................................................................................................. 285

12.10. Современная оценка концепции биохимической эволюции в биологии.................................................................. 287 Концепция Вернадского появилась в 1931 г. ......................................................................................................... 287 Концепция «генобиоза» (информационная) появилась в 50-е гг. в связи с работами Холдейна. ..................... 287 Концепция голобиоза, признающая первичность белков, не потеряла своего значения. .................................. 287 Судьба коацерватной капли ..................................................................................................................................... 288 Рис. 12.12. Схема гиперкаталитического цикла (по Эйгену) ............................................................................ 289

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 290 Глава 13. КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В



СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ ........................................................................................................................291 13.1. Возникновение упорядоченности в гидродинамике. Понятие хаоса .......................................................................... 291

Хаотические эффекты,.............................................................................................................................................. 291 Рис. 13.1. Пример хаотического движения: ........................................................................................................ 293

13.2. Порядок и хаос в больших системах. Понятие фрактала ............................................................................................. 293 Рис. 13.2. Фазовая траектория маятника: без затухания (а) и с затуханием (б) .............................................. 294 Рис. 13.3. Странный аттрактор............................................................................................................................. 294

13.3. Пороговый характер самоорганизации и представление о теории катастроф ........................................................... 296 Рис. 13.4. Примеры проецирования поверхностей на плоскость:..................................................................... 296

13.4. Математические закономерности эволюции. Понятие бифуркации........................................................................... 297 Рис. 13.5. К пояснению законов Фейгенбаума: .................................................................................................. 298 Рис. 13.6. Затягивание потери устойчивости при динамической бифуркации................................................ 299

13.5. Синергетика — новый научный метод .......................................................................................................................... 299 Рис. 13.7. Биспиральные вихревые структуры в закрученных потоках, проявляющиеся посредством визуализации поля оптической фазовой плотности (а) и поля скоростей в заданном сечении (б)............... 301 Рис. 13.8. Визуализированные волновые структуры на поверхности вращающихся пластин при различных угловых скоростях и радиусах:............................................................................................................................ 301

13.6. Эволюционная химия. Возникновение упорядоченности в химических реакциях ................................................... 301 13.7. Возникновение самоорганизации в морфогенезе ......................................................................................................... 304 13.8. Моделирование отношений между трофическими уровнями в биоценозах .............................................................. 305 13.9. Элементы теории самоорганизованной критичности................................................................................................... 308

Рис. 13.9. Упорядоченные структуры, возникающие на поверхности песка при развитии сдвиговых деформаций ........................................................................................................................................................... 308 Рис. 13.10. Модель землетрясения....................................................................................................................... 309

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 310 Глава 14. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА БИОСФЕРНОМ УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ ...............................................................................311

14.1. Биосферный уровень организации жизни. Основы учения В.И.Вернадского о биосфере ....................................... 311 14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический круговорот ..................................................................... 313

Рис. 14.1. Схема солнечно-земных связей .......................................................................................................... 314 Рис. 14.2. Превращения солнечной энергии ....................................................................................................... 314 Рис. 14.4. Круговорот азота в биосфере .............................................................................................................. 315 Рис. 14.3. Пирамида преобразования энергии (а) и передача энергии по трофическим уровням (б) ........... 317 Рис. 14.5. Круговорот органических веществ (в млрд кг) в биосфере: ............................................................ 318

14.3. Связи между организмами в экосистеме ....................................................................................................................... 318 Рис. 14.6. Стадии роста и созревания плода растения, приведенные в относительных размерах, и интенсивности дыхания........................................................................................................................................ 320 Рис. 14.7. Связь между количеством выдыхаемой теплоты и массой тела...................................................... 320

14.4. Самоорганизация в формировании климата.................................................................................................................. 320 14.5. Концепции эволюции растительного и животного мира ............................................................................................. 324

Рис. 14.8. Биогеохимическая связь эволюции живого и планеты Земля, представленная в виде «спирали времени» ................................................................................................................................................................ 325

14.6. Человек — качественно новая ступень развития биосферы ........................................................................................ 327 14.7. Концепции коэволюции и ноосферы ............................................................................................................................. 329 14.8. Естественно-научная картина мира и общественная мысль ........................................................................................ 331

Вопросы для самопроверки и повторения .................................................................................................................. 334 ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................335 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................336 ОГЛАВЛЕНИЕ...........................................................................................................................................337



ВВЕДЕНИЕ Естествознание — неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека.

Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием. Рациональный метод, сформировавшийся в рамках естественных наук, проникает и в гуманитарную сферу, и в общественную жизнь. Он существенно дополняет художественный метод познания действительности.

В 70-е годы ХХ в. шли философские споры о системном подходе наук к своим объектам. Такой подход требовался в общественных науках, которые перешли к рассмотрению сложных, многоуровневых систем. Облик естествознания менялся в общекультурном и историческом контекстах.

Современная научная картина мира отличается сложностью рассматриваемых систем. Так, с помощью ЭВМ решаются задачи, которые не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные состояния. Хаос стал выступать созидательным началом, конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от хаоса к порядку. Явления самоорганизации начали изучаться в естествознании, экологии, экономике. Будущие специалисты во многих областях должны получить представление о современной научной картине мира.

Актуальность курса «Концепции современного естествознания» созвучна потребностям в целостном взгляде на окружающий мир. Данная дисциплина введена в учебные планы более чем сорока социально-экономических и гуманитарных специальностей вузов. Она является продуктом междисциплинарного синтеза, основанного на эволюционно-синергетическом подходе. К настоящему времени в основном определились цели, содержание и структура курса.

Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом. Методологические установки и релятивистское миропонимание включены в главы, 3

посвященные формированию научных программ и картин мира, понятий времени, пространства, движения и, конечно, космологии. Курс построен без традиционного деления на отдельные дисциплины и направлен на создание единой картины мира, которая включает терминологию, язык, сложившиеся понятия и современные достижения. Для удобства пользования пособием выделено 14 глав по основным темам.

Сначала в главе 1 рассматриваются вопросы логики познания, научного метода, процессов формирования картин мира и научных программ. Показано, как человек сумел расширить границы непосредственного восприятия мира, создавая методы, приборы, проникая и в микромир, и в космос; как он сумел узнать и, сопоставляя, измерить этот огромный мир. Рассмотрены изменения представлений о пространстве, времени и движении от Декарта, Галилея и Ньютона до Эйнштейна и его последователей. В главе 2 обсуждаются масштабы Вселенной и ее объектов в пространстве и во времени, иерархическое строение материи и фундаментальные взаимодействия. В главе 3 вводятся простейшие модели для описания движений изолированных систем. С помощью этих моделей описываются движения в макро- и мегамире; обсуждаются концепции детерминизма и причинности классической физики. Отмечено, что единство природы и универсальность ее законов наиболее ярко проявляются в колебательных и волновых процессах. Показано, как законы сохранения и принципы симметрии приобретают столь значимый статус в описании и восприятии природы человеком, как успехи точного естествознания повлияли на формирование понятий экономической теории. Выделена роль закона тяготения в становлении идеи единства материального мира. Глава 4 посвящена динамическим и статистическим закономерностям окружающего мира. Фактически это — переход от использования простейших классических моделей к сложным системам, когда необходимо сопоставлять микроскопическое описание систем с макроскопическим, когда модельные параметры на микроуровне сопоставляются с характеристиками сложной системы. Обсуждены начала термодинамики и основные понятия: теплота, равновесие, внутренняя энергия, энтропия.



Глава 5 посвящена концепции атомизма и ее приложению к организации материи в микро- и макромире. На примере корпускулярно-волнового дуализма света и вещества продемонстрирован переход от наглядного моделирования объектов мира к их объединению. В главе 6 рассмотрены особенности взаимодействий и структур в микромире. Уделено особое внимание мировоззренческим установкам так называемого неклассического описания мира, когда понятие вероятности становится основным. В главе 7 дается описание строения вещества от микрочастиц до объектов макромира, а в главе 8 — концепции взаимодействий и структур 4

объектов микро- и макромира, связанных с изменениями состояний и процессами. В главе 9 детально рассмотрены процессы в мегамире — звезды, галактики, Вселенная.

Обсуждаются концепции эволюции во Вселенной. В главе 10 представлена космогония тел Солнечной системы, геологическая и геохимическая история нашей планеты и ее спутника — Луны.

Затем (глава 11) рассмотрены основные формы, свойства и уровни организации жизни на Земле, более подробно представлены развитие биологии как науки о живой материи и традиционной и физико-химической биологии. Обсуждается самый глубинный уровень организации живого — молекулярно-генетический. Глава 12 посвящена онтогенетическому уровню организации жизни. Обсуждаются различные подуровни (клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционный, видовой), а также концепции эволюции в науке о живом и биохимические процессы, приведшие к зарождению жизни. Выделены аналогии при изучении природных систем как систем сложных. В соответствии с общей направленностью курса после описания объектов природы, их строения и функций рассмотрены особенности их эволюции.

В главе 13 изложены основы концепции самоорганизации и построения теории описания неравновесных процессов в сложных системах. Показана роль обратных связей в организации процессов, происходящих в сложных системах, далеких от равновесия. Рассмотрены примеры возникновения самоорганизации материи в разных предметных областях. Дано представление о междисциплинарном подходе к изучению сложных систем — синергетики, теории диссипатичных процессов и теории катастроф.

В заключительной главе представлены концепции эволюционных процессов в сложной системе — биосфере Земли. Рассмотрены явления самоорганизации и инертности человеческого общества и концепция коэволюции, взаимодействия внутри сложных систем, соотношения в сообществах и возможности компьютерного моделирования. Дана характеристика антропному принципу и космическому значению возникновения жизни на Земле.

Общепризнано, что образование, культура, наука — краеугольные камни развития общества. По отношению государства к этим трем сферам легко представить себе его будущее. Страна, недооценивающая роль указанных сфер, обречена на прозябание в постиндустриальном мире.

В 1992 г. состоялась беспрецедентная по масштабу и уровню Международная конференция по устойчивому развитию, на которой было признано, что существующая парадигма развития цивилизации должна быть кардинально изменена. В принятом участниками конференции (в том числе главами правительств и государств) документе «Повестка дня на XXI век» было признано, 5

что «развитие будет устойчивым», если «удовлетворяются потребности ныне живущих поколений без лишения возможности последующих

и форматирование Янко yanko [email protected] || http...

Documents